CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
3.1. BÀI TOÁN KIỂM TRA
Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Abaqus V6.10 để mô phỏng bài toán tấm BTXM trên nền đàn hồi (Winkler) có sử dụng khe nối trong kết cấu áo đường cứng. Để kết quả luận văn có độ tin cậy thì kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng chương trình Abaqus so sánh với kết quả thực đo và kết quả từ phần mềm EverFE. Nội dung tính toán bài toán ứng suất nhiệt tấm bê tông có sử dụng thanh truyền lực.
3.1.1. Thông số đầu vào
Dữ liệu được lấy từ bài báo của tác giả Z. Q. Siddique et al. [3]. Thông số đầu vào được thể hiện dưới: (đổi đơn vị theo hệ SI)
Bảng 3-1. Thông số tính toán tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ Tấm bê tông xi măng: Chiều dày, h: 300 mm
Chiều dài, Lx: 5,000 mm Chiều rộng, Ly: 3,700 mm
Hệ số giãn nở nhiệt: 1.1×10-5mm/mm/0C Thanh truyền lực
(dowel)
Đường kính: 32mm
Chiều dài: 450mm
Mô hình vật liệu:
Bê tông: Mô đun đàn hồi, Eb: 28,960 MPa Hệ số Poisson, b: 0.15
Lớp móng: Mô đun đàn hồi, E1: 6,500 MPa Hệ số Poisson, b: 0.15
Nền: Mô đunđàn hồi, E0: 270 MPa
Hệ số Poisson: 0.2
Tải trọng tác dụng:
Nhiệt độ: Chênh lệch nhiệt độ lúc 3 giờ chiều (Hình 2-12)
20độ
Hệ số nền: tính quy đổi hai lớp nền bên dưới về lớp có mô đun đàn hồi chung, từ đó sử dụng công thức (2.32) đã nêu ở mục 2.4.3 ta tính được hệ số nền, kết quả k=0.0533MPa/mm. Mô hình kết cấu áo đường 3D như thể hiện Hình 3-1.
Hình 3-1. Quy đổi nền nhiều lớp qua hệ số mô hình phần tử hữu hạn 3.1.2. Phần tử sử dụng
k=0.0533MPa/mm Taám beâ toâng (E, h)
5000(mm) 5000(mm)
Taám beâ toâng (E, h)
Mô hình tấm BTXM trong phần mềm Abaqus sử dụng các dạng phần tử sau:
Tấm bê tông sử dụng loại phần tử C3D20RT (Continuum 3D-20 node thermally couple brick, triquadratic displacement, trillinear temperature, reduced integration) [16] [17]. Giả thiết nhiệt độ là tuyến tính và phân bố đều ở mặt trên và mặt dưới tấm. Kích thước phần tử khi chia lưới 100x100x75mm.
Thanh truyền lực sử dụng phần tử B32- phần tử dầm bậc 2.
Liên kết giữa tấm bê tông xi măng và thanh truyền lực sử dụng phần tử lò xo (spring), với độ cứng tiếp xúc giữa thanh truyền lực và tấm là 100N/mm3. Thông số này thể hiện cho hiệu quả truyền tải trọng giữa các tấm và ảnh hưởng đến kết quả lực cắt trong tấm.
Tấm được đặt trên nền đàn hồi với hệ số nền k=0.0533MPa/mm gán điều kiện tiếp xúc giữa tấm và nền là tấm trên nền đàn hồi “elastic foundation”.
Dạng mô hình và mesh lưới trong Abaqus V6.10
Hình 3-2. Mô hình tấm BTXM có khe nối bằng phần mềm Abaqus 3.1.3. Kết quả mô hình
A. Kết quả phân tích chuyển vị và ứng suất nhƣ trên Hình 3-3
Hình 3-3. Kết quả mô phỏng tấm BTXM bằng phần mềm Abaqus
Ứng suất và chuyển vị được tính toán theo các công thức giải tích [10], đo thực tế [3], phần mềm EverFE [19] và phần mềm Abaqus [16] [17], được cho như trên Bảng 3-2.
Bảng 3-2. Kết quả tính toán tấm BTXM chênh lệch nhiệt độ
Giải tích EverFE Abaqus Thực đo
Ứng suất (MPa) -2.203 -2.024 -1.958
Chuyển vị (mm) 0.663 0.6358 0.635
(Bảng 1 [3] )
Hình 3-4. Kết quả tính toán tấm BTXM bằng phần mềm EverFE B. Nội lực trong thanh truyền lực
Giá trị lực cắt lớn nhất trong một thanh truyền lực điển hình (chọn thanh nằm giữa tấm):
(a) EverFE (b) Abaqus
Hình 3-5. Biểu đồ nội lực lớn nhất trong thanh truyền lực.
Phần mềm tính toán EverFE Abaqus Lực cắt lớn nhất trong thanh truyền lực (N) 9,100 9,795.53
Từ đó vẽ biểu đồ lực cắt lớn nhất của thanh truyền lực, như thể hiện trên Hình 3-5.
3.1.4. Nhận xét kết quả
Qua kết quả tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng sự chênh lệch nhiệt độ trong tấm bê tông xi măng đặt trên nền hai lớp (gồm lớp móng và nền đất), ta thấy:
Sử dụng hệ số khi giải bằng phần phương pháp phần tữ hữu hạn sẽ đơn giản hơn rất nhiều, vì khi giải bài toán sử dụng loại phần tử C3D20RT [16] [17]- phần tử bậc 2 (solid 20 nút), lớp nền C3D20R, và lớp móng phần tử vô hạn (infinite element as CINAX4) sẽ tốn rất nhiều thời gian và công sức khi mô phỏng và gán điều kiện tiếp xúc giữa lớp móng và tấm, giữa móng và nền [19].
Kết quả tính toán cho thấy khi mô hình và giải bằng Abaqus kết quả tính toán so với thực nghiệm có sai số khoảng 2% và sai số so với phần mềm EverFE (phần mềm chuyên dùng tính kết cấu áo đường BTXM) khoảng 4%.
Từ đó có thể thấy việc mô hình tính toán cho kết quả tin cậy.
Mặt đường bê tông xi măng có sử dụng thanh truyền lực, kết quả lực cắt (sử dụng phần tử beam-phần tử bậc 2) từ Abaqus và EverFE có sai số khoảng 7.6%. Sự sai khác này là do hệ số độ cứng của phần tử mô phỏng khi gán nhúng vào phần tử bê tông [19] và sự chia mịn của phần tử khi giải.
Kết quả tính toán ứng suất giữa lý thuyết và mô phỏng cho thấy, khi tính toán về mặt lý thuyết có độ an toàn cao hơn.
Trong luận văn này giả sử nhiệt độ thay đổi tuyến tính theo chiều dày tấm, do đó ứng suất do sự thay đổi thay đổi tuyến tính dọc theo chiều dày tấm phù hợp với lý thuyết của tác giả Huang [10].
Từ những nhận xét trên ta thấy có thể áp dụng Abaqus để phân tích tính toán kết cấu áo đường có sử dụng thanh truyền lực.
Trong bài toán này chỉ xét tải trọng nhiệt độ, trong mục tiếp theo sẽ xét ứng xử của mặt đường có sử dụng thanh truyền lực dưới tác dụng tải trọng xe bằng phương pháp giải tích và bằng phần tử hữu hạn (sử dụng Abaqus).