3.4.6. Kết quả đo độ mở rộng vết nứt
Sơ đồ bố trớ cỏc điểm đo như Hỡnh 1 ở trờn. Kết quả đo độ vừng bằng LVDT của cỏc lần đo như Hỡnh 3. 38.
Kết quả đo độ mở rộng vết nứt - Lần đo 3
Kết quả đo độ mở rộng vết nứt - Lần đo 4
Hỡnh 3. 38: Kết quả đo độ mở rộng vết nứt - Thớ nghiệm 3
Lần đo 3: Khi tăng tải, vết nứt mở rộng nhất là vết nứt ngang 3.82mm, tiếp đú là vết nứt xiờn 2.81mm. Khi hạ tải, cỏc vết nứt khụng trở về như ban đầu của chu trỡnh đo mà cú sự chờnh lệch do biến dạng dư, vết nứt ngang khộp lại đột ngột khụng những trở về như ban đầu mà cũn khộp lại thờm 0.38mm. Trong khi đú, vết nứt xiờn rộng thờm 1.84mm, vết nứt dọc mở rộng thờm 0.13mm.
Lần đo 4: Khi tăng tải, vết nứt mở rộng nhất là vết nứt xiờn 3.06mm, tiếp đú là vết nứt dọc 0.70mm. Khi hạ tải, cỏc vết nứt khụng trở về như ban đầu của chu trỡnh đo mà cú sự chờnh lệch do biến dạng dư. Trong đú, vết nứt xiờn rộng thờm 1.70mm, vết nứt ngang mở rộng thờm 0.28mm, vết nứt dọc mở rộng thờm 0.10mm.
Tại vị trớ đo cú độ mở rộng vết nứt lớn là do bờ tụng đĩ bị nứt, cốt thộp biến dạng lớn do đĩ bị chảy dẻo.
3.5. Kết luận Chương 3
Thớ nghiệm xỏc định được bộ dữ liệu cỏc đặc trưng nứt của bờ tụng cú cường độ nộn trung bỡnh 58 MPa được sử dụng trong cụng trỡnh cầu núi chung. Cỏc số liệu này là thụng số đầu vào cần thiết cho mụ hỡnh tớnh toỏn, bổ sung vào bộ dữ liệu đặc trưng nứt về bờ tụng.
Thớ nghiệm ứng xử cơ học của kết cấu nhịp dầm T:
Vết nứt hỡnh thành dưới vệt bỏnh xe và lan truyền theo cả phương ngang, phương dọc và phương xiờn. Khi vết nứt cũn nhỏ chưa ảnh hưởng nhiều tới độ cứng của kết cấu, độ vừng tại cỏc điểm đo cựng tăng theo tỷ lệ. Độ mở rộng vết nứt quan sỏt được là 0,03mm ứng với cấp tải trọng 25 tấn. Độ mở rộng vết nứt lớn hơn giới hạn cho phộp 0,3mm theo [42] khi tải trọng > 60 tấn.
Ứng với tải trọng từ 0 đến 34,65 tấn: Tốc độ gia tăng độ vừng nhỏ mặc dự bản mặt cầu đĩ cú vết nứt rộng 0,03mm ở cấp tải 25 tấn.
Ứng với tải trọng từ 34,65 tấn đến 44,73 tấn: Độ vừng gia tăng nhanh tại tất cả cỏc điểm đo V1 đến V5 do cỏc vết nứt lớn hơn làm độ cứng của kết cấu suy giảm đỏng kể so với cỏc cấp tải trước.
Ứng với tải trọng từ 44,73 tấn đến 83,35 tấn: Khi tải trọng tăng lờn, đường biờn dạng tăng dần độ dốc sang hai bờn. Bản bị phỏ hoại dạng chọc thủng ở tải trọng 83,35 tấn.
Hiệu ứng ngàm của sườn dầm làm gia tăng khả năng chịu lực, giảm độ vừng của BMC so với trường hợp bản kờ 2 cạnh cú cựng chiều dày, cỏch bố trớ cốt thộp, cường độ bờ tụng, khẩu độ.
Thớ nghiệm ứng xử cơ học của kết cấu bản kờ 2 cạnh:
Quỏ trỡnh gia tải và hạ tải về khụng được thực hiện nhiều lần đo. Lần đo 1, chuyển vị tại cỏc điểm tương đối lớn so với tải trọng so với tải trọng tỏc dụng. Quan hệ giữa tải trọng và độ vừng xấp xỉ tuyến tớnh. Lần đo 2, khi tải trọng >25 tấn đồ thị bắt đầu xuất hiện điểm uốn, độ dốc của đồ thị giảm. Lỳc này độ cứng của bản đĩ suy giảm đột ngột do xuất hiện cỏc nứt lớn. Lần đo 3, khi tải trọng > 53 tấn, đồ thị xuất hiện điểm gĩy do độ cứng bản giảm đột ngột mà nguyờn nhõn là do hỡnh thành thờm cỏc vết nứt lớn. Cỏc điểm đo V1, V2 nằm trờn trục dọc của bản tăng nhanh. Lần đo 4, khi tải trọng > 66 tấn cỏc đồ thị xuất hiện điểm gĩy và xu hướng đi ngang. Cỏc vết nứt lan truyền, hệ thống vết nứt mới tiếp tục hỡnh thành. Lỳc này vựng đặt tải đĩ bị phỏ hoại dạng chọc thủng.
Quỏ trỡnh gia tải và hạ tải về khụng được thực hiện nhiều lần đo. Cỏc vết nứt đầu tiờn xuất hiện theo phương ngang, tiếp đến là cỏc vết nứt theo phương xiờn. Khi tăng tải, vết nứt mở rộng nhất là vết nứt ngang 3.82mm, tiếp đú là vết nứt xiờn 2.81mm. Khi hạ tải, cỏc vết nứt khụng trở về như ban đầu của chu trỡnh đo mà cú sự chờnh lệch do biến dạng dư, vết nứt ngang khộp lại đột ngột khụng những trở về như ban đầu mà cũn khộp lại thờm 0,38mm. Trong khi đú, vết nứt xiờn rộng thờm 1,84mm, vết nứt dọc mở rộng thờm 0,13mm. Lần đo 4, vết nứt mở rộng nhất là vết nứt xiờn 3,06mm, tiếp đú là vết nứt dọc 0,70mm. Khi hạ tải, cỏc vết nứt khụng trở về như ban đầu của chu trỡnh đo mà cú sự chờnh lệch do biến dạng dư. Trong đú, vết nứt xiờn rộng thờm 1,70mm, vết nứt ngang mở rộng thờm 0,28mm, vết nứt dọc mở rộng thờm 0,10mm.
Thớ nghiệm kết cấu dầm T bị hư hỏng nặng được sửa chữa bằng dỏn vải sợi FRP:
Đối với kết cấu sửa chữa được gia cố tấm FRP, quỏ trỡnh gia tải phỏ vỡ lớp keo hàn cỏc vết nứt trước khi hỡnh thành thờm cỏc vết nứt mới. Cựng một cấp tải trọng, độ vừng kết cấu sửa chữa lớn hơn kết cấu mới nhưng độ vừng lớn nhất ở trạng thỏi phỏ hoại là xấp xỉ nhau. Cỏc vết nứt tập trung chủ yếu ở vựng đặt tải, tấm FRP kiềm chế lan truyền cỏc vết nứt ra xung quanh. Dạng phỏ hoại là chọc thủng bản.
Tải trọng phỏ hoại của bản lớn hơn nhiều so với tải trọng bắt đầu gõy nứt. Khả năng chịu tải cực hạn của bản lớn hơn rất nhiều so với tải trọng thiết kế của cầu.
Việc sửa chữa khụng khụi phục lại hồn tồn khả năng chịu lực ban đầu của kết cấu nhưng khả năng chịu lực đĩ lớn hơn nhiều so với lực do xe tải nặng khai thỏc gõy ra và kiềm chế tốt sự lan truyền nứt. Tải trọng phỏ hoại của kết cấu sau khi sửa chữa là (72,84 tấn) nhỏ hơn so với kết cấu ban đầu (83,35 tấn). Chuyển vị lớn nhất tại đỏy bản xấp xỉ nhau, ở bản được gia cố là 10,31mm, ở bản ban đầu là 10,82mm.
CHƯƠNG 4.
NGHIấN CỨU Mễ PHỎNG SỐ ỨNG XỬ CỦA BẢN MẶT CẦU Bấ TễNG CỐT THẫP ĐỔ TẠI CHỖ DO TẢI TRỌNG TẬP TRUNG
4.1. Mụ hỡnh phần tử trong tớnh toỏn kết cấu bờ tụng cốt thộp
4.1.1. Mụ hỡnh phần tử trong ANSYS
Phần tử bờ tụng
Bờ tụng được mụ hỡnh húa bằng phần tử SOLID65 của Ansys. Đõy là phần tử chuyờn mụ phỏng vật liệu cú khả năng chịu nộn lớn hơn rất nhiều khả năng chịu kộo như bờ tụng, đỏ….Nú cú thể mụ phỏng cốt thộp gia cường trong bờ tụng (hoặc thộp lưới, thộp hỡnh…), cựng với hiện tượng kộo nứt và nộn vỡ của vật liệu. Đõy là phần tử 3D cú 8 điểm nỳt, mỗi nỳt cú ba bậc tự do tại mỗi nỳt là cỏc chuyển vị tịnh tiến theo cỏc hướng nỳt x, y và z như Hỡnh 4. 1. Phần tử SOLID65 nhiều nhất cú thể định nghĩa ba loại vật liệu gia cố khỏc nhau, tức là phần tử này cho phộp đồng thời dựng cựng lỳc bốn loại vật liệu. Phần tử bờ tụng tương tự như cấu trỳc SOLID 3-D nhưng được bổ sung thờm khả năng nứt, nộn vỡ, biến dạng dẻo và xoắn. Đặc điểm quan trọng nhất của loại phần tử này là xử lý cỏc đặc tớnh phi tuyến của vật liệu. Bờ tụng cú khả năng nứt (theo ba phương vuụng gúc), vỡ, biến dạng dẻo và từ biến. Trong khi đú, vật liệu gia cường cú khả năng kộo và nộn, nhưng khụng bị cắt. Chỳng cũng cú khả năng biến dạng dẻo và từ biến [67, 93].
Tiờu chuẩn hỏng của bờ tụng
Mụ hỡnh cú khả năng thể hiện sự hỏng của bờ tụng, bao gồm cả cỏc vết nứt và vỡ. Hai tham số cường độ đầu vào là cường độ kộo và nộn là đủ để xỏc định mặt hỏng cho bờ tụng. Trong chương trỡnh tớnh toỏn, mặt hỏng cho bờ tụng là dạng mặt hỏng 3 chiều, trong đú:
Nứt xuất hiện khi ứng suất kộo chớnh theo một hướng bất kỳ nằm ngồi mặt hỏng, mụ đun đàn hồi của bờ tụng bằng 0 theo hướng song song với hướng ứng suất kộo chớnh.
Vỡ xảy ra khi tồn bộ cỏc ứng suất là nộn và nằm ngồi mặt hỏng, khi đú mụ đun đàn hồi bằng 0 theo mọi hướng.
Phần tử cốt thộp
Cốt thộp được mụ hỡnh húa bằng phần tử LINK180 trong ANSYS. Đõy là một spar 3-D hữu ớch trong nhiều ứng dụng kỹ thuật khỏc nhau. Phần tử cú thể được sử dụng để tạo mụ hỡnh giàn, dõy cỏp vừng, liờn kết, lũ xo, v.v. Phần tử này là phần tử chịu kộo nộn dọc trục với ba bậc tự do tại mỗi nỳt là chuyển vị tịnh tiến theo cỏc phương x, y và z như Hỡnh 4. 2. Phần tử cú khả năng thể hiện biến dạng dẻo và từ biến.
Hỡnh 4. 2: Mụ hỡnh phần tử LINK180 - Mụ hỡnh phần tử thộp [67, 93].
4.1.2. Mụ hỡnh phần tử trong Midas FEA
Phần tử bờ tụng: Chia khối bờ tụng thành cỏc phần tử khối hỡnh hộp, dựng cho cỏc kết cấu khối chịu tải trọng 3 chiều.
Phần tử cốt thộp: Chia cốt thộp ra thành cỏc phần tử thanh. Mụ hỡnh tớnh xột đến sự làm việc chung giữa cốt thộp, bờ tụng với giả thiết cốt thộp dớnh bỏm hồn tồn với bờ tụng.
Giữa bờ tụng và cốt thộp cú dớnh bỏm tồn tại một lực dớnh bỏm. Giả thiết lực này là đủ lớn để đảm bảo cho biến dạng giữa bờ tụng và cốt thộp là bằng nhau [62].
Đặc điểm phỏ hoại nứt trong bờ tụng được mụ tả theo mụ hỡnh vết nứt phõn tỏn (smeared crack model) trong đú, ảnh hưởng của nứt được phản ỏnh qua việc làm giảm độ cứng của của bờ tụng theo phương vuụng gúc với vết nứt [21, 85]. Mụ hỡnh vết nứt được minh họa như trờn Hỡnh 4. 3.
Mụ hỡnh nứt tập trung Mụ hỡnh nứt phõn tỏn
Hỡnh 4. 3: Mụ hỡnh vết nứt [62].
Vật liệu làm cầu gồm cú bờ tụng và cố thộp. Mụ hỡnh vật liệu trong cỏc tớnh toỏn số được lấy như sau:
Mụ hỡnh của thộp: Ứng xử của cốt thộp trải qua 2 giai đoạn đàn hồi - húa cứng như Hỡnh 2. 6. Quỏ trỡnh phõn tớch cho thấy mụ hỡnh này cú độ tin cậy cao và đảm bảo khụng ảnh hưởng đến tốc độ hội tụ của bài toỏn phõn tớch.
Mụ hỡnh của bờ tụng: Giả thiết bờ tụng chịu kộo theo mụ hỡnh Hordijk và chịu nộn theo mụ hỡnh Thorenfeldt như trờn Hỡnh 4. 4 [43, 61, 94, 95].
Hordijk Thorenfeldt
Hỡnh 4. 4: Mụ hỡnh của bờ tụng [62].
Ghi chỳ: ft - cường độ chịu kộo; h - khoảng cỏch giữa cỏc vết nứt; Gf - năng lượng nứt ban đầu; f’c - cường độ chịu nộn.
4.2. Đỏnh giỏ kết quả mụ phỏng số
4.2.1. So sỏnh kết quả mụ phỏng với kết quả thớ nghiệm ứng xử nứt phi tuyến
4.2.1.1. Thụng số vật liệu sử dụng trong mụ hỡnh
Thụng số vật liệu thộp: Cỏc đặc trựng cơ lý của vật liệu sử dụng trong mụ hỡnh được lấy theo kết quả thớ nghiệm như Bảng 4. 1 và tiờu chuẩn thiết kế cầu [5].
Bảng 4. 1: Kết quả thớ nghiệm xỏc định cỏc chỉ tiờu cơ lý của thộp.
Mẫu TN D (mm) Pch (N) Pb (N) Pph(N) fy (MPa) fu (MPa)
1 14,00 63281 85235 82272 411,08 553,70
2 14,00 65777 87292 85764 427,30 567,06
3 14,00 64551 86583 85752 419,33 562,45
4 14,00 65618 86419 64010 426,26 561,39
Tổng hợp cỏc chỉ tiờu cơ lý của thộp sử dụng trong mụ hỡnh như Bảng 4. 2. Bảng 4. 2: Cỏc chỉ tiờu cơ lý của thộp.
Chỉ tiờu cơ lý Ký hiệu Đơn vị Trị số
Khối lượng thể tớch γs kg/m3 7850
Mụ đun đàn hồi Es MPa 200000
Hệ số Poỏt xụng à 0.3
Giới hạn chảy fy MPa 421
Giới hạn bền fu MPa 561
Thụng số vật liệu bờ tụng: Cỏc đặc trựng cơ lý của vật liệu sử dụng trong mụ hỡnh được lấy theo kết quả thớ nghiệm ở Mục 3.1 và theo tiờu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017. Tổng hợp cỏc chỉ tiờu cơ lý của bờ tụng sử dụng trong mụ hỡnh như Bảng 4. 3.
Bảng 4. 3: Cỏc chỉ tiờu cơ lý của bờ tụng.
Chỉ tiờu cơ lý Ký hiệu Đơn vị Trị số
Khối lượng thể tớch γc kg/m3 2373
Mụ đun đàn hồi Ec MPa 36590
Hệ số Poỏt xụng à 0,2
Cường độ chịu kộo dọc trục ft MPa 5,6
Cường độ chịu kộo khi uốn fr MPa 9,67
Cường độ chịu nộn trung bỡnh fb MPa 58
4.2.1.2. Mụ hỡnh hỡnh học và kết quả phõn tớch nứt
Mụ phỏng kết cấu theo sơ đồ 3D với kớch thước thực của mụ hỡnh thớ nghiệm.
1-Mụ hỡnh 3D và kết quả phõn tớch kết cấu dầm T bằng ANSYS
2-Mụ hỡnh 3D và kết quả phõn tớch kết cấu dầm T bằng MIDAS FEA Hỡnh 4. 5: Mụ hỡnh 3D và kết quả phõn tớch nứt kết cấu dầm T.
4.2.1.3. So sỏnh kết quả mụ phỏng số với kết quả thớ nghiệm
So sỏnh kết quả phõn tớch phi tuyến nứt với kết quả thớ nghiệm của mụ hỡnh kết cấu dầm T chịu tải trọng tĩnh:
Hỡnh 4. 7: So sỏnh độ vừng tại giữa bản (V3) giữa cỏc kết quả mụ phỏng số và thớ nghiệm. Nhận xột: Đường cong độ vừng của mụ phỏng số bỏm sỏt với đường cong thực nghiệm trong cỏc giai đoạn làm việc. Tải trọng phỏ hoại trong cỏc mụ hỡnh số cú sai lệch so với kết quả thớ nghiệm là 1,14% và 3,65%.
Kết quả đo vẽ phõn bố nứt trong thớ nghiệm và trong mụ phỏng được trỡnh bày như trong Hỡnh 4. 8 và Hỡnh 4. 9:
1-Kết quả thớ nghiệm 2-Kết quả tớnh ANSYS
Hỡnh 4. 8: So sỏnh phõn bố nứt giữa kết quả mụ phỏng số bằng ANSYS với kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh kết cấu dầm T.
1-Kết quả thớ nghiệm 2-Kết quả tớnh MIDAS FEA Hỡnh 4. 9: So sỏnh phõn bố nứt giữa kết quả mụ phỏng số bằng MIDAS FEA với
kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh kết cấu dầm T.
Nhận xột: Dạng phõn bố nứt trong cỏc mụ hỡnh số cú dạng tương tự với kết quả thớ nghiệm. Ở phần BMC, cỏc vết nứt nằm trong khu vực giữa cỏc sườn dầm, cỏc vết nứt lớn chủ yếu phỏt triển theo phương dọc và phương xiờn. Phần sườn dầm, cỏc vết nứt xuất hiện ở khu vực giữa nhịp, theo phương đứng và lan truyền từ đỏy dầm lờn phớa BMC.
So sỏnh kết quả phõn tớch phi tuyến nứt với kết quả thớ nghiệm của mụ hỡnh bản kờ 2 cạnh chịu tải trọng tĩnh như Hỡnh 4. 10.
Kết quả phõn tớch phi tuyến: Biến dạng chớnh lớn nhất ở đỏy bản
Kết quả thớ nghiệm: Phõn bố nứt tại đỏy bản (Lần đo 4)
Kết quả phõn tớch phi tuyến: Biến dạng chớnh lớn nhất ở đỉnh bản
Kết quả thớ nghiệm: Phõn bố nứt tại đỉnh bản (Lần đo 4)
Kết quả phõn tớch phi tuyến: Biến dạng chớnh lớn nhất ở mặt bờn bản
Kết quả thớ nghiệm: Phõn bố nứt tại mặt bờn bản (Lần đo 4)
Hỡnh 4. 10: So sỏnh phõn bố nứt giữa kết quả mụ phỏng số bằng ANSYS với kết quả thớ nghiệm mụ hỡnh bản kờ 2 cạnh.
Dựa trờn kết quả so sỏnh giữa mụ phỏng số và thực nghiệm cho thấy kết quả mụ phỏng số bằng phần mềm ANSYS và MIDAS FEA cú kết quả phự hợp với kết quả thớ nghiệm. Sử dụng phần mềm ANSYS rỳt ngắn được thời gian tớnh toỏn, giải
được cỏc bài toỏn cú số lượng phần tử lớn, điều kiện biờn phức tạp, cú thể lập trỡnh. Bờn cạnh đú, sử dụng phần mềm MIDAS FEA đơn giản hơn trong xõy dựng mụ hỡnh, kết quả phõn tớch trực quan. Tuy nhiờn, thời gian tớnh toỏn lõu hoặc gặp khú khăn trong điều kiện biờn phức tạp, phi tuyến.
Trong luận ỏn này sử dụng đồng thời cả 2 phần mềm ANSYS và MIDAS FEA phự hợp với từng bài toỏn cụ thể cần phõn tớch. Cả 2 phần mềm này đều cho kết quả