Mô phỏng sàn bê tông cốt thép

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM

2.2. Quy trình mô phỏng sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phần mềm Abaqus

2.2.1. Mô phỏng sàn bê tông cốt thép

Mô phỏng sàn bê tông cốt thép B20, với kích thước 3x3m với chiều dày 0,09m được gối trên 02 gối kê. Cốt thép 8 a200, đan thành lưới ô vuông. Bố trí tấm cứng kích thước 0,2x0,2m, dày 0,02m.

a. Xây dựng cấu kiện

Module “Part” tại giao diện người dùng của ABAQUS cung cấp các công cụ và cách thức để xây dựng từng hình dạng hình học cũng như loại loại phần tử cho cấu kiện.

- Tạo tấm sàn Bê tông kích thước 3,0x3,0m, dày 0,09m. như các bước sau.

37

Hình 2.10: Kích thước sàn bê tông - Tạo cốt thép trong sàn bê tông:

Hình 2.11 : Cấu tạo cốt thép trong sàn

- Tạo tấm CFRP đơn với kích thước dài 3m, rộng 0,2m, dày 0,001m., liên kết

các tấm theo hình ô cờ với khoảng cách lưới 0,2m

Hình 2.12 : Tạo tấm và hệ lưới CFRP - Tạo 02 gối liên kết cho sàn

Hình 2.13 : Tạo gối liên kết cho sàn

b. Định nghĩa vật liệu sử dụng cho mô hình

Trong module Property sử dụng chức năng Create Material để khởi tạo và khai báo các loại vật liệu sử dụng trong mô hình.

39 - Vật liệu bê tông:

Khai báo các đặc trưng của vật liệu bê tông như sau. Tại cửa sổ Edit Material xuất hiện khi khởi tạo vật liệu, chọn tab Mechanical –Elasticity –Elastic, để khai báo các giá trị môđun đàn hồi và hệ số poisson cho vật liệu bê tông.

Hình 2.14: Thông số môđun đàn hồi và hệ số poisson

Để khai báo mô hình phá hoại dẻo cho bê tông, tại cửa sổ Edit Material chọn tab Mechanical – Concrete Damaged Plasticity, trong mục Plasticity nhập thông số mô hình dẻo như hình 2.20.

Hình 2.15: Thông số dẻo cho mô hình vật liệu bê tông

Trong mục Compressive Behavior nhập giá trị quan hệ ứng suất nén – biến dạng không phục hồi của miền bê tông chịu nén như hình 2-16a, tương tự trong mục Tensile

Behavior nhập giá trị đường cong hệ ứng suất kéo – biến dạng không phục hồi của miền bê tông chịu kéo như hình 2-16b.

a. Bê tông vùng nén b. Bê tông vùng kéo Hình 2.16 : Thông số vật liệu vùng bê tông chịu kéo và bê tông chịu nén - Vật liệu cốt thép chịu lực:

Khai báo các đặc trưng của vật liệu cốt thép như sau. Tại cửa sổ Edit Material xuất hiện khi khởi tạo vật liệu, chọn tab Mechanical –Elasticity –Elastic, để khai báo các giá trị môđun đàn hồi và hệ số poisson cho vật liệu cốt thép.

Để khai báo ứng xử ngoài giai đoạn đàn hồi của cốt thép, tại cửa sổ Edit Material chọn Tab Mechanical – Plasticity – Plastic. Do các loại cốt thép dùng trong đề tài có đặc trưng khác nhau nên phải khai báo lần lượt cho từng loại cốt thép như hình 2-17.

41

b. Giá trị mô đun đàn hồi và poisson b.Hệ số giai đoạn ngoài đàn hồi của thép Hình 2.17: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép

- Vật liệu CFRP:

Khai báo các đặc trưng của vật liệu cốt thép như sau. Tại cửa sổ Edit Material xuất hiện khi khởi tạo vật liệu, chọn tab Mechanical –Elasticity –Elastic, để khai báo các giá trị như hình sau:

Hình 2.18: Giá trị quan hệ ứng suất – biến dạng dẻo cho cốt thép c. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện.

- Cấu kiện bê tông: gán thuộc tính bê tông cho Sàn, gối, tấm cứng vào mục Section và gán thuộc tính cho cấu kiện

Hình 2.19 : Gán thuộc tính cho cấu kiên bê tông, cốt thép - Cấu kiện tấm CFRP: Gán thuộc tính và chiều dày tấm 0,001m

43

Hình 2.20 : Gán thuộc tính cho tấm CFRP d. Tạo mô hình làm việc cho cấu kiện

- Lưới CFRP đan theo ô vuông với các tấm CFRP đan vào nhau khoảng cách 0,2m

Hình 2.21 : Tạo lưới tấm CFRP và sàn bê tông cốt thép e. Thiết lập các bước phân tích:

Hình 2.22 : Thiết lập bước phân tích mô hình f. Gán tải trọng và điều kiện biên cho mô hình.

- Gán điều kiện làm việc cho các cấu kiện:

+ Sự làm việc giữa Tấm cứng và Sàn;Tấm CFRP và Sàn; Liên ngàm, liên kết nhúng của thép trong bê tông, liên kết bề mặt giữa CFRP và sàn

Hình 2.23 : Gán điều kiện biên cho mô hình

- Gán tải trọng: Với lực tập trung tại tấm cứng với lực 25000N như hình hình dưới đây.

45

Hình 2.24 : Gán tải trọng cho sàn bê tông cốt thép g. Chia lưới cho các phần tử trước khi phân tích mô hình.

- Tại cửa sổ Mesh , ta có thể chia ô lưới cho cùng một mô hình hoặc các cấu kiện riêng lẻ cho ta mô hình như dưới đây.

Hình 2.25: Thiết lập phân chia các phần tử cho mô hình h. Chạy mô hình.

Vào Job- Đặt tên cho mô hình- đồng ý các thông số của mô hình chạy phân tích mô hình

Hình 2.26: Thiết lập chạy mô hình và xem kết quả

2.3. KẾT LUẬN

Trong chương này đã hoàn thành việc trình bày quá trình thực hiện mô phỏng số, mô hình sử dụng phần mềm ABAQUS. Kết quả phân tích được sẽ được so sánh giữa mô hình sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP và sàn bê tông cốt thép không có gia cường tấm CFRP trong chương 3

47 CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ GIA CƯỜNG TẤM CFRP

Trong chương này, tác giả phân tích ứng xử của sàn bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm CFRP thông qua mô hình hóa bằng phần mềm Abaqus. Xem xét sự làm việc của sàn bê tông cốt thép trước khi gia cường và sau khi gia cường tấm CFRP Với mục đích phân tích, đánh giá ứng xử cơ học khác nhau giữa sàn không gia cường và được gia cường bằng các đặc trưng cơ học như ứng suất, biến dạng, chuyển vị kết cấu sẽ được phân tích và sánh. Phương pháp phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng Phần mềm phân tích Abaqus được sử dụng để phân tích đối với các mô hình.

3.1. Thông tin mô hình thực hiện nghiên cứu.

Xét Sàn bê tông cốt thép với kích thước sàn 3,0x3,0m, dày 0,09m, bố trí thép lưới 8 a200 được đan theo 2 phương. Tải trọng tập trung tác dụng vào sàn thông qua tấm cứng kích thước 0,2x0,2x0,02m. Tấm CFRP gia cố theo 02 phương, dán theo hình ô cờ với kích thước dày 0,001m, rộng 0,2m, dài 3m khoảng cách ô cờ là 0,2m. Vật liệu sử dụng là bê tông B20, cốt thép dọc CII. Liên kết ngàm bởi 2 đầu. tấm CFRP và mặt sàn làm việc với nhau thông qua liên kết bề mặt. Tác dụng vào tấm sàn có gia cường tấm CFRP và không có gia cường tấm CFRP lực tác dụng tỷ lệ thuận theo thời gian.

Lực tập trung lớn nhất là 25000N, xem xét ứng xử của sàn bê tông có gia cường và không có gia cường qua các đặc trưng cơ học của từng loại vật liệu trong sàn khi cùng tác dụng vào ở bước gia tải số 68 tương ứng với lực tác dụng P68=16.175(N)

- Sàn bê tông cốt thép chưa gia cường Sàn bê tông CT có gia cường tấm CFRP Hình 3.1: Mô hình công trình triển khai nghiên cứu

3.2. Phân tích ảnh hưởng của tấm CFRP đến ứng xử của sàn bê tông cốt thép.

3.2.1. Ảnh hưởng đến sự làm việc chung của sàn bê tông cốt thép.

- Khi cùng tải trọng tác dụng, cụ thể tại P=16703 (N), bê tông sàn bê tông cốt thép không có gia cố tấm CFRP bị phá hoại do bê tông vùng kéo của sàn bắt đầu hình thành vết nứt. Tuy nhiên với lực tác động như vậy, nhờ gia cố tấm CFRP vào vùng chịu kéo của bê tông, bê tông vùng kéo của sàn bê tông cốt thép chưa xuất hiện vết nứt, sàn vẫn làm việc bình thường. Dưới đây là kết quả cùng trong mô phỏng tính toán sàn bê tông cốt thép có gia cố tấm CFRP và sàn không có gia cố tấm CFRP.

a.Sàn bê tông khi chưa gia cố b.Sàn bê tông có gia cố CFRP Hình 3.2 : Sự hình thành vết nứt trong vùng chịu kéo của bê tông 3.2.2. Ảnh hưởng đến nội lực sàn bê tông cốt thép

a. Ảnh hưởng đến bê tông trong sàn.

- Khi cùng một thời điểm tính toán P=16.703(N) cùng tải trọng tác dụng vào sàn. Xét ứng suất, biến dạng và chuyển vị phần tử 14650, nút 19644 (phần tử có hiện tượng phá hoại) trong bê tông trong sàn bê tông khi chưa gia cố và sau khi gia cố CFRP có kết quả như sau:

Bảng 3.3: Kết quả phần tử bê tông 1465, nút 19644

STT Tải trọng (N)

Tấm sàn Kết quả phần tử bê tông 1465, nút 19644 Stress Strain Displacement

49 1

16703

Không có gia

cường 2.10E+06 6.08E-05 0.00333936

2 Có gia cường

CFRP 2.59E+06 0 0.002588

+ Ảnh hưởng đến ứng suất của bê tông trong sàn:

a.ƯS bê tông của sàn khi chưa gia cố b.ƯS bê tông của sàn có gia cố CFRP Hình 3.4 : Phổ phân bố ứng suất bê tông trong sàn

Hình 3.5: Biểu đồ ứng suất theo tải trọng của sàn không gia cố và có gia cố Sau khi được gia cường bởi tấm CFRP, ứng suất kéo trong bê tông được phân phối lại, ứng suất kéo của bê tông trong sàn giảm đi so với ứng suất của sàn bê tông khi chưa

0 500000 1000000 1500000 2000000 2500000 3000000

0 500 1195 2195 3195 4195 5195 6195 7195 8195 9195 10195 11195 12195 13195 14195 15195 16195 16703

Ứng suất

Ứng suất-Tải trọng

Biểu đồ ứng suất không gia cường

Biểu đồ ƯS có gia cường CFRP

được gia cố. Tuy nhiên, khi hình thành vết nứt trong bê tông thì ứng suất trong bê tông giảm đi.

+ Ảnh hưởng đến biến dạng của bê tông trong sàn:

a.Biến dạng trong BT khi chưa gia cố b.Biến dạng BT khi có gia cố CFRP Hình 3.6 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn

Hình 3.7 : Phổ phân bố biến dạng của bê tông trong sàn

Theo phổ biến dạng của bê tông trong sàn khi không có gia cường tấm CFRP và có gia cường tấm CFRP. Tác giả nhận thấy biến dạng bê tông trong cùng chịu kéo của sàn không có gia cố tấm CFRP xuất hiện sớm hơn và có giá trị lớn hơn biến dạng bê tông trong vùng chịu kéo của sàn bê tông có gia cố tấm CFRP.

+ Ảnh hưởng đến chuyển vị của bê tông trong sàn:

0 0.00002 0.00004 0.00006 0.00008 0.0001 0.00012 0.00014

0 594 1695 2945 4195 5445 6695 7945 9195 10445 11695 12945 14195 15445 16352 17078 17563 18210 18746 19339

Biến dạng

Biến dạng- Tải trọng

Biểu đồ biên dang không gia cường Biểu đồ biên dạng có gia cường CFRP

51

a.Chuyển vị trong sàn BT khi chưa gia cố b.Chuyển vị sàn BT khi có gia cố CFRP Hình 3.8 : Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn

Hình 3.9: Phổ phân bố chuyển vị của bê tông trong sàn

Theo kết quả biểu đồ chuyển vị theo thời gian của bê tông trong sàn khi không có gia cường tấm CFRP và có gia cường tấm CFRP. Tác giả nhận thấy chuyển vị của bê tông trong sàn không có gia cố tấm CFRP có giá trị lớn hơn biến dạng bê tông trong vùng chịu kéo của sàn bê tông có gia cố tấm CFRP.

b. Ảnh hướng đến cốt thép trong bê tông.

- Khi cùng một thời điểm tính toán T= 0,688(s),P=16.703(N) cùng tải trọng tác dụng vào sàn. Xét ứng suất, biến dạng và chuyển vị phần tử 47, nút 47 (nút có ứng suất lớn nhất) trong cốt thép có sàn bê tông khi chưa gia cố và sau khi gia cố CFRP có kết quả như sau:

Bảng 3.4: Kết quả phần tử thép 47, nút 47

STT

Tải trọng

(N)

Cốt thép

Kết quả phần tử thép 47, nút 47 Stress Strain Displacement

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004

0 500 1195 2195 3195 4195 5195 6195 7195 8195 9195 10195 11195 12195 13195 14195 15195 16195 16703

Chuyển vị

Chuyển vị- Tải trọng

Biểu đồ chuyển vị sàn không gia cường

1

16703

Không có gia cường 4.09E+07 2.00E-04 0.00333387

2 Có gia cường CFRP 2.65E+07 0.000129 0.002588

+Ảnh hưởng đến ứng suất của thành phần thép trong sàn:

a.ƯS thép của sàn khi chưa gia cố b.ƯS thép của sàn có gia cố CFRP Hình 3.10 : Phổ phân bố ứng suất của cốt thép trong sàn

Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất -tải trọng của sàn có gia cố và không có gia cố CFRP Từ kết quả trên cho thấy ứng suất của cốt thép trong sàn khi được gia cường tấm CFRP có giá trị thấp hơn so với ứng suất của cốt thép trong sàn không đường gia cường tấm CFRP tại một thời điểm tính toán, cùng tải trọng tác dụng lên sàn. Như vậy, tấm CFRP có tác dụng chịu kéo một phần cho cốt thép có trong sàn.

+Ảnh hưởng đến biến dạng của thành phần thép trong sàn:

0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 35000000 40000000 45000000

0 500 1195 2195 3195 4195 5195 6195 7195 8195 9195 10195 11195 12195 13195 14195 15195 16195 16703

Ứng suất

Ứng suất-Tải trọng

Biểu đồ ứng suất thép không gia cường

Biểu đồ ƯS thép có gia cường CFRP

53

a.Biến dạng CT sàn khi chưa gia cố b.Biến dạng CT sàn khi gia cố CFRP Hình 3.12 : Phổ phân bố biến dạng của cốt thép trong sàn

Hình 3.13: Biểu đồ biến dạng của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố Theo phổ biến dạng của côt thép trong sàn khi không có gia cường tấm CFRP và có gia cường tấm CFRP. Tác giả nhận thấy biến dạng cốt thép trong của sàn không có gia cố tấm CFRP có giá trị lớn hơn biến dạng cốt thép trong vùng của sàn bê tông có gia cố tấm CFRP.

+ Ảnh hưởng đến chuyển vị cốt thép trong sàn:

0 0.00005 0.0001 0.00015 0.0002 0.00025

0 500 1195 2195 3195 4195 5195 6195 7195 8195 9195 10195 11195 12195 13195 14195 15195 16195 16703

Biến dạng

Biến dạng- Tải trọng

Biến dạng thép sàn khi không gia cường Biến dạng thép sàn có gia cường CFRP

a.Chuyển vị CT trong sàn khi chưa gia cố b.Chuyển vị CT trong sàn khi có gia cố Hình 3.14: Phổ phân bố chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có

gia cố

Hình 3.15: Biểu đồ chuyển vị của thép trong sàn có gia cố và sàn không có gia cố Theo kết quả biểu đồ chuyển vị theo thời gian của cốt thép trong sàn khi không có gia cường tấm CFRP và có gia cường tấm CFRP. Tác giả nhận thấy chuyển vị của cốt thép trong sàn không có gia cố tấm CFRP có giá trị lớn hơn biến dạng cốt thép của sàn có gia cố tấm CFRP. Như vậy, tấm CFRP có khả năng làm giảm chuyển vị của cốt thép trong sàn bê tông khi có gia cường tấm CFRP.

0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 0.0035 0.004

0 500 1195 2195 3195 4195 5195 6195 7195 8195 9195 10195 11195 12195 13195 14195 15195 16195 16703

Chuyển vị

Chuyển vị- Tải trọng

Cốt thép sàn không gia cường

Cốt thép sàn có gia cường CFRP

55 c. Sự làm việc tấm CFRP khi gia cố sàn.

Khi tấm CFRP gia cố cho phần chịu kéo của bê tông trong sàn. Tấm CFRP cùng làm việc chung với sàn bê tông cốt thép với liên kết bề mặt. Dưới tác dụng của tải trọng tác dụng vào sàn thì CFRP có tác dụng làm giảm ứng suất, biến dạng, chuyển vị trong bê tông, cốt thép trong sàn. Khi đó, ứng suất, biến dạng của tấm CFRP được thể hiện qua hình ảnh dưới đây:

a. ƯS tấm CFRP b.Biến dạng tấm CFRP

c.Chuyển vị tấm CFRP

Hình 3.16 : Phổ phân bố ứng suất-chuyển vị-biến dạngcủa CFRP khi gia cố Xét phần tử số 3043, nút 4991 của tấm CFRP gia cố sàn bê tông cốt thép khi tải trọng tác dụng vào sàn trong thời gian T=0,668 (s). Từ kết quả phân tích được ứng suất, biến dạng của phần tử theo biểu đồ dưới đây.

Hình 3.17:: Biểu đồ ƯS-BD tấm CFRP trong sàn có gia cố 3.2. Kết luận chương

Qua so sánh, phân tích ứng xử của sàn bê tông cốt thép chưa gia cường và có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn như trên. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng việc gia cường CFRP trong sàn bê tông cốt thép làm ứng suất và biến dạng trong bê tông và cốt thép đều giảm, ứng suất trong tấm CFRP tăng lên theo tải trọng.

Đồng thời cũng nhận thấy rằng thời điểm xuất hiện vết nứt trong bê tông được gia cường là muộn hơn so với trường hợp không gia cường. Điều này hoàn toàn phù hợp với nguyên lý làm việc và các nghiên cứu đã thực hiện trước đây rằng việc gia cường tấm CFRP làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông, cốt thép trong sàn, hạn chế xuất hiện vết nứt và sự mở rộng vết nứt trong bê tông.

0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 16000000

0.000000 0.000007 0.000017 0.000027 0.000037 0.000047 0.000057 0.000067 0.000078 0.000088 0.000098 0.000108 0.000118 0.000128 0.000138 0.000148 0.000158 0.000168 0.000178 0.000181 0.000206

Ứng suất

Biến dạng

Ứng suất-Biến dạng tấm CFRP

CFRP

57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận

Luận văn đã thực hiện quá trình phân tích ứng xử của sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Trong đó, phân tích ứng xử, khả năng làm việc của các vật liệu trong sàn bê tông cốt thép có gia cường tấm CFRP phần mềm ABAQUS. Dưới đây là các kết quả đạt được:

- Nghiên cứu được tổng quan về sự hư hỏng công trình và các phương pháp gia cố, sữa chửa.

- Nghiên cứu được tính chất cơ lý của tấm CFRP và phương pháp gia cường tấm CFRP trong tính toán và thi công

- Mô phỏng kết cấu sàn bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn có gia cường tấm CFRP

- Nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép, tấm CFRP khi gia cố và khả năng gia cường cho kết cấu sàn bê tông cốt thép.

2. Kiến nghị

Nghiên cứu thêm các hình thức gia cường tấm CFRP làm thay đổi ứng suất trong sàn bê tông cốt thép. Đánh giá khả năng gia cường nào là hợp lý và đạt hiệu quả cao nhất.