Hình 4.4. Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max
Bảng 4.6. Gia tốc và biến dạng lớn của cơng trình theo các phương
Điểm Gauges
Bê tông cốt GFRP
Biến dạng max Gia tốc max (m/s2)
X Y X Y 3 1,6686E-05 46,406 4 1,6304E-05 44,719 5 2,2068E-05 43,546 6 1,6167E-05 44,924 Điểm Gauges Bê tông cốt thép
Biến dạng max Gia tốc max (m/s2)
X Y X Y
3 1,5834E-05 44,066
4 1,5424E-05 42,093
5 2,1101E-05 43,026
Hình 4.5. Biến dạng theo phương trục X của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max
Hình 4.6. Biến dạng theo phương trục Y của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max
Hình 4.7. Biến dạng dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max
Hình 4.8. Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm đạt giá trị max
Nhận xét:
Gia tốc và biến dạng tại các điểm nằm chính giữa bên trong tường, nóc
và đáy cơng trình của kết cấu bê tơng cốt GFRP đều lớn hơn kết cấu BTCT nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Ứng suất lớn nhất phân bố tại các góc của cơng trình, ứng suất Von-
Mises trong kết cấu bê tông cốt GFRP lớn hơn trong kết cấu BTCT (
1,035
BTGFRP BTCT
VM VM
)
Biến dạng lớn nhất phân bố tại các góc của cơng trình, biến dạng theo
phương trục x, trục y trong kết cấu bê tông cốt GFRP lớn hơn trong kết cấu BTCT BTGFRP (1,04 1,07) BTCT
Biến dạng dọc trục lớn nhất trong thanh cốt GFRP lớn hơn trong thanh
cốt thép trucGFRP 1, 26trucThep
Lực dọc trục lớn nhất trong thanh cốt GFRP nhỏ hơn trong thanh cốt
thép FtrucThep 8,62FtrucGFRP
Từ kết quả trên ta thấy với lượng nổ 3,64kg TNT nổ trong cát cách cơng trình 2,5m kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP chưa bị phá hoại, làm việc trong vùng đàn hồi, phân bố ứng suất và biến dạng trong kết cấu giống nhau. Đáp
ứng của cơng trình kết cấu bê tơng cốt GFRP có sự khác biệt so kết cấu BTCT, về ứng suất, biến dạng và gia tốc kết cấu bê tông cốt GFRP đều lớn hơn kết cấu BTCT nhưng chưa rõ rệt, tuy nhiên với lực dọc trục và biến dạng dọc trục trong thanh cốt GFRP và cốt thép sự khác biệt được thể hiện rõ.
4.3.3.2. Trường hợp 2: lượng nổ 16,77kg TNT cách cơng trình 2,0m
Hình 4.9. Minh họa vụ nổ do lượng nổ 16,77kg TNT cách cơng trình 2,0m tại thời điểm 9ms
Khảo sát kết quả với cơng trình ngầm BTCT và bê tông cốt GFRP:
- Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm 9ms Hình 4.10.
Hình 4.10. Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP tại thời điểm 9ms (lượng nổ 16,77kg)
Hình 4.11. Lực dọc trục của cốt thép và cốt GFRP tại thời điểm 9ms (lượng nổ 16,77kg)
Nhận xét: Với lượng nổ 16,77kg TNT tại chính giữa cách tường bên cơng
trình 2,0m kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP đều xuất hiện vết nứt trong bê tông, kết cấu bê tông cốt GFRP xuất hiện nhiều vết nứt và vết nứt mở rộng hơn kết cất BTCT. Tuy nhiên cả cốt thép và cốt GFRP đều chưa bị phá hoại.
Từ kết quả mô phỏng CTN kết cấu BTCT và bê tông cốt GFRP nhận thấy: ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt như biển đảo, cốt thép rất dễ bị xâm thực gây hư hỏng kết cấu, có thể ứng dụng bê tơng cốt GFRP trong xây dựng các cơng trình quốc phịng. Mặc dù kết cấu bê tơng cốt GFRP có vết nứt nhiều và
mở rộng hơn kết cấu BTCT do thanh cốt GFRP có mơ đun đàn hồi nhỏ hơn thép, nhưng vẫn đảm bảo sức sống của người và trang thiết bị trong cơng trình.
4.4. Mơ phỏng số và thử nghiệm hiện trường mơ hình CTN bê tơng cốt GFRP chịu tải trọng nổ GFRP chịu tải trọng nổ
Khảo sát ứng xử của mơ hình cơng trình ngầm bê tơng cốt GFRP trong mơi trường cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước chịu tải trọng nổ. Sơ đồ bài toán khảo sát như Hình 4.12, kết cấu mơ hình cơng trình ngầm xem Hình 4.13.
Hình 4.12. Sơ đồ bài tốn khảo sát
MỈt b»ng mơ hình thí nghiệm
Hình 4.13. Kết cấu mơ hình CTN bê tơng cốt GFRP
Tiến hành khảo sát 2 trường hợp :
Trường hợp 1: Lượng nổ được bố trí trong san hơ chính giữa bên sườn
CTN, cách tường bên cơng trình 0,5m, các lượng nổ thí nghiệm là 100g TNT.
Trường hợp 2: Lượng nổ được bố trí trên mặt san hơ chính giữa trên nóc
CTN, cách nóc cơng trình 0,5m, các lượng nổ thí nghiệm là 100g TNT.
4.4.1. Mơ phỏng số bằng AutoDyn 3D
Mơ hình mơ phỏng số bằng AutoDyn 3D phù hợp với các trường hợp thí nghiệm đã thực hiện tại hiện trường.
4.4.1.1. Mơ hình hóa bài tốn
Vùng thuốc nổ và đất gần tâm nổ được mơ hình hóa và giải theo phương pháp hạt không lưới SPH [41], [54] trong môi trường thiết lập đa vật liệu. Kết cấu cơng trình, vùng đất xa tâm nổ và khơng khí được mơ hình hóa bằng cách sử dụng phần tử lưới 6 mặt 8 nút đều đặn, kích thước phần tử để mơ hình hóa cơng trình và vùng đất xung quanh được chia nhỏ hơn các vùng khác. Khối khơng khí là lưới Euler nên cần đảm bảo kích thước ơ lưới nhỏ hơn hoặc bằng kích thước phần tử lưới Lagrange [23]. Cốt GFRP được mơ hình hóa phù hợp với kết cấu của mơ hình cơng trình ngầm. Mơ hình hóa bài tốn và sơ đồ các điểm Gauge thể hiện trên Hình 4.14.
Hình 4.14. Mơ hình hóa bài tốn và sơ đồ điểm Gauge trong AutoDyn 3D
4.4.1.2. Mơ hình vật liệu
Mơ hình thuốc nổ TNT, khơng khí và bê tơng và thơng số của các loại vật liệu này được tích hợp sẵn trong thư viện vật liệu của Autodyn.
Mơ hình vật liệu cốt sợi thủy đã được trình bày cụ thể trong mục 4.2, các thông số của vật liệu như mục 4.3.2.6.
Mơ hình vật liệu cát san hơ lẫn cành vụn bão hịa nước được xây dựng và tính tốn các thơng số bằng chương trình MCORAL đã được mơ tả kỹ trong chương 3.
4.4.1.3. Điều kiện biên
Để tránh hiện tượng phản xạ sóng, khó khăn trong mơ hình hóa, thùng thép kín có kích thước 4000x2000x1500mm được dán 1 lớp xốp xung quanh thành và đáy thùng.
Khi đó biên của vùng đất được coi là biên cho sóng truyền qua, được gán biên Transmit [23]
Biên của vùng khơng khí là biên cho sóng truyền qua, được gán biên Flow_Out [23]
4.4.1.4. Tương tác giữa các vùng
a. Vùng san hơ với kết cấu bê tơng cốt GFRP
Có tính đến sự tách trượt của kết cấu với mơi trường xung quanh với: hệ số ma sát tĩnh µs = 0,42; hệ số ma sát động µd =0,36 [9], [37].
4.4.1.5. Tương tác bê tông và cốt GFRP
Cốt sợi thủy tinh liên kết chặt với bê tông, tăng bền cho bê tơng và khơng có sự tách trượt [23].
4.4.2. Thử nghiệm nổ tại hiện trường
Mơ hình thử nghiệm chế tạo tại xưởng bê tơng đúc sẵn Chèm, kích thước và chất lượng đảm bảo đúng theo u cầu bài tốn, sau đó được vận chuyển đến thao trường của Học viện KTQS tại Hòa Lạc. Tại thao trường tiến hành gắn các thiết bị đo và làm cơng tác chuẩn bị như Hình 4.15, Hình 4.16, Hình 4.17.
Hình 4.16. Ảnh bố trí thiết bị đo trong mơ hình CTN
Hình 4.17. Ảnh chuẩn bị mơ hình thí nghiệm
4.4.2.1. Thiết bị thí nghiệm
- Máy đo động đa kênh NI SCXI–1000DC là thiết bị đo động đa kênh hiện đại do hãng National Instrument của Mỹ chế tạo.
- Đầu đo gia tốc 353B33 do công ty PCB của Mỹ chế tạo, đây là đơn vị chuyên chế tạo các đầu đo gia tốc, áp lực, … sử dụng trong thí nghiệm và các
thiết bị công nghệ cao và thiết bị quân sự. Trong các thí nghiệm đầu đo 353B33 được sử dụng để đo gia tốc rung động của kết cấu theo một phương, đầu đo chế tạo theo nguyên lý áp điện (piezo) có độ nhạy rất cao, đo được các rung động mạnh có gia tốc lên tới 50g và chịu được sốc đến 10000g.
Hình 4.18. Đầu đo gia tốc 353B33
- Đầu đo biến dạng PL-60-11 (hãng TML, Nhật chế tạo) là đầu đo biến dạng cho kết cấu bê tông. Đầu đo này thường được sử dụng để đo biến dạng của kết cấu bê tông chịu tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng động. Trong thí nghiệm đầu đo PL-60-11 được sử dụng để đo biến dạng trong kết cấu công trình ngầm bê tơng cốt GFRP.
Hình 4.19. Đầu đo biến dạng PL-60-11
4.4.2.2. Chuẩn bị thí nghiệm
Để tạo môi trường san hô bão hịa nước thì tồn bộ môi trường san hô được đặt trong thùng thép kín có kích thước 4000x2000x1500mm chứa cơng sự bê tơng cốt GFRP kích thước 500x500x1000mm. Xung quanh thành và đáy thùng có dán 1 lớp xốp để tránh xảy ra hiện tượng phản xạ sóng gây nhiễu cho các đầu đo. Môi trường cát san hơ lẫn cành vụn đảm bảo tính phổ biến của nền
địa chất phần đảo nổi trong phạm vi xây dựng cơng trình được mang về từ các đảo san hơ xa bờ.
Các đầu đo gia tốc 353B33 được gắn tại vị trí giữa nóc, tường và đáy cơng trình, các đầu đo biến dạng PL-60-11 được gắn tại vị trí giữa nóc, tường và đáy của cơng trình theo hai phương chu vi và phương cạnh dài, cụ thể xem Hình 4.16, Hình 4.20.
Hình 4.20. Bố trí đầu đo gia tốc và biến dạng
4.4.2.3. Trình tự thí nghiệm
- Tiến hành đổ từng lớp san hơ dày 300mm vào thùng mơ hình thí nghiệm, tiến hành đầm theo quy trình hiệu chuẩn mẫu;
- Khi đổ san hô đến chiều dày 500mm tiến hành lắp đặt cơng sự vào vị trí, sử dụng thước thủy chuẩn để hiệu chỉnh độ bằng phẳng của công sự theo hai phương và tiếp tục đổ san hô theo từng lớp;
- Đặt ống nhựa đường kính 110mm ở độ cao đặt thuốc nổ TNT, chiều cao ống cách mặt san hơ hồn thiện 200mm;
- Đổ các lớp san hơ và đầm đến cao độ miệng thùng mơ hình; - Bơm nước vào thùng và ngâm trong thời gian 24 giờ;
- Cho lượng nổ TNT vào san hô thông qua ống nhựa 110mm, tiến hành nhồi san hơ vào lịng ống và rút ống;
- Kiểm tra công tác an toàn trước khi nổ;
- Tiến hành nổ và ghi đo kết quả áp lực cho lần thí nghiệm.
Các lần nổ thí nghiệm tiếp theo quy trình được thực hiện theo đúng tuần tự như trên.
4.4.3. Phân tích và so sánh kết quả
Với điều kiện thí nghiệm nổ cịn hạn chế, khi nghiên cứu ứng xử của CTN trong môi trường san hơ bão hịa nước, chỉ mới làm thí nghiệm được với 2 trường hợp là nổ trên nóc 100g và nổ bên sườn 100g TNT. Các trường hợp thí nghiệm trên đều khảo sát gia tốc và biến dạng theo chu vi, theo chiều dài tại các điểm 1, 2, 3, 4 như Hình 4.14, Hình 4.20. Tiến hành phân tích và so sánh kết quả giữa mơ phỏng số bằng AutoDyn3D và thử nghiệm nổ tại hiện trường với 2 trường hợp.
Ngoài ra đối với bài tốn mơ phỏng số bằng AutoDyn3D tác giả mơ phỏng nhiều trường hợp khác nhau làm cơ sở phân tích, so sánh ứng xử của cơng trình và cốt GFRP.
4.4.3.1. Trường hợp 1: Lượng nổ 100g TNT bố trí chính giữa cách tường bên cơng trình 0,5m.
a. Gia tốc tại các điểm theo phương X với 1, 2
a) b)
Hình 4.21. Kết quả gia tốc theo phương X điểm 1; (a) Mơ phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m
a) b)
Hình 4.22. Kết quả gia tốc theo phương X điểm 2; (a) Mô phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gia tốc (g) Thời gian (ms)
Kết quả thí nghiệm tại hiện trường
Gia tốc điểm 1 (phương X) -2 -1 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Gia tốc (g) Thời gian (ms)
Kết quả thí nghiệm tại hiện trường
Gia tốc điểm 2 (Phương X)
b. Biến dạng theo phương chu vi và phương dọc tại các điểm 1 và 2
a) b)
Hình 4.23. Kết quả biến dạng điểm 1; (a) Mơ phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m
a) b)
Hình 4.24. Kết quả biến dạng điểm 2; (a) Mơ phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m
-2,00E-05 -1,00E-05 0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Thời gian (ms) StrainYY StrainZZ -2,00E-05 -1,00E-05 0,00E+00 1,00E-05 2,00E-05 3,00E-05 4,00E-05 5,00E-05 6,00E-05 7,00E-05 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time (ms) StrainYY StrainZZ
Bảng 4.7. Kết quả trị số gia tốc và biến dạng lớn nhất tại điểm 1 và 2, lượng nổ 100g cách sườn 0,5m
Điểm đo
Kết quả thí nghiệm Mơ phỏng số AutoDyn3D Sai số % Gia tốc phương X (g) Biến dạng YY Biến dạng ZZ Gia tốc phương X (g) Biến dạng YY Biến dạng ZZ Gia tốc Biến dạng YY Biến dạng ZZ 1 4,205 3,71e-5 2,35e-5 4,981 4,43e-5 2,95e-5 15,58 16,45 20,26 2 2,371 5,91e-5 0,98e-5 2,715 7,99e-5 1,22e-5 12,67 26,17 19,51
4.4.3.2. Trường hợp 2: Lượng nổ 100g TNT bố trí chính giữa trên nóc, cách nóc cơng trình 0,5m.
Tiến hành khảo sát, so sánh biến dạng theo phương chu vi (phương OX) tại điểm chính giữa nóc (4) và điểm chính giữa đáy (3) cơng trình, kết quả xem Hình 4.25, Bảng 4.8.
a) b)
Hình 4.25. Kết quả biến dạng theo phương X nóc và đáy; (a) Mơ phỏng AutoDyn3D, (b) Thí nghiệm hiện trường, lượng nổ 100g trên nóc
-6,0E-05 -4,0E-05 -2,0E-05 0,0E+00 2,0E-05 4,0E-05 6,0E-05 8,0E-05 1,0E-04 1,2E-04 1,4E-04 1,6E-04 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Biến dạng Thời gian (ms)
Kết quả thí nghiệm đo tại hiện trường
BD XX Nóc BD XX Đáy
Bảng 4.8. Kết quả trị số biến dạng lớn nhất theo phương X đáy và nóc, lượng nổ 100g trên nóc Điểm đo Vị trí điểm khảo sát Kết quả thí nghiệm Mơ phỏng số AutoDyn3D Sai số % Biến dạng XX Biến dạng XX 3 Giữa đáy
(thành trong) 7,63e-5 9,04e-5 15,54
4 Giữa nóc
(thành trong) 14,12e-5 16,88e-5 16,34
4.4.3.3. Phân tích, so sánh ứng xử của cơng trình và cốt GFRP bằng mơ phỏng số AutoDyn3D
a. Nổ trên nóc lượng nổ 100g và 200g TNT
Hình 4.26. Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 1,5ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT
Hình 4.27. Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT
Hình 4.28. Biến dạng theo phương X của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 2,0ms khi chịu lượng nổ trên nóc 100g và 200g TNT
b. Nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g TNT
Hình 4.30. Ứng suất Von – Mises (VM) của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g
Hình 4.31. Biến dạng theo phương Y của kết cấu bê tông cốt GFRP tại thời điểm 3,0ms, nổ chính giữa cách sườn 1,0m lượng nổ 200g và 400g
4.4.3.4. Nhận xét
Từ kết quả khảo sát giữa thử nghiệm nổ tại hiện trường và mô phỏng số bằng AutoDyn3D, với cả 2 trường hợp nổ bên sườn trong san hô và nổ trên mặt san hơ từ Hình 4.21 đến Hình 4.25 ta thấy: quy luật thay đổi gia tốc và biến