CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.4. MÔ HÌNH DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG BẰNG ANSYS
Để mô phỏng ứng xử dầm liên hợp thép – bê tông gần đúng như thực tế, các nhà khoa học đã dùng nhiều phần mềm khác nhau để mô phỏng dầm liên hợp thép - bê tông, điển hình là các phần mềm như ANSYS, ABAQUS, ARTETA… mỗi phần mềm đều có những ưu điểm và khuyết điểm riêng, trong đó phần mềm ANSYS là phần mềm rất mạnh, đa năng và giải quyết được hầu hết các bài toán trong kỹ thuật.
Trong luận văn này để thu được các tính hiệu đặc trưng dao động của kết cấu mà không qua thí nghiệm phá hủy, ta dùng mô hình phần tử hữu hạn ANSYS để mô phỏng kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông chưa hư hỏng và có hư hỏng.
3.4.1. Tổng quan về ANSYS
Chương trình ANSYS được viết tắt từ ANALYSIS SYSTEMS, là một hệ thống tính toán đa năng. ANSYS được lập ra từ năm 1971 do nhóm nghiên cứu của tiến sĩ John Sweanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis Systerm, Inc.) tại Mỹ. Từ đó ANSYS lan sang các nước khác trên thế giới như Đức, Áo, Thụy Sỹ, Nhật, Trung Quốc…nhờ các tính năng ưu việt của nó. Từ các phiên bản đầu tiên, nó đã được nâng cấp, chỉnh sửa rất nhiều lần và phiên bản mới nhất hiện này là version 19.
Chương trình ANSYS được xây dựng trên nền tảng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc để giải các bài toán trong vật lý – cơ học, chuyển các phương trình vi phân, phương trình đạo hàm riêng từ dạng giải tích về dạng số, sử dụng phương pháp rời rạc hóa và gần đúng để giải bài toán.
Chính vì nhờ áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn mà các bài toán được mô hình hóa và mô phỏng toán học, cho phép lý giải như thật trạng thái bên trong của vật thể khi chịu tác động bên ngoài. Chương trình ANSYS có nhiều module khác nhau như: Structural, Linear Plus, Flotran, Mechanical, Prepost, Thermal, Multiphysics…, và có thể giải quyết được hầu hết các bài toán trong kỹ thuật thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau.
Cụ thể, chương trình ANSYS có thể giải được các bài toán về kết cấu tĩnh và động với nhiều dạng tải trọng khác nhau (lực tập trung, lực phân bố, nhiệt, vận tốc góc…), các bài toán kết cấu trong xây dựng và cơ khí, các bài toán về dao động, các
23 bài toán phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học, phân tích phổ, bài toán cơ học rạn nứt, cơ học vật liệu composite, tính toán mỏi, bài toán về động lực học lưu chất, dòng lưu chất, giải quyết các bài toán về trường điện từ, sóng điện từ, các bài toán về động lực học, bất ổn định, truyền nhiệt, âm học, điện áp…
Bên cạnh đó, ANSYS giải quyết được các bài toán về lý thuyết đàn hồi, dẻo, đàn – dẻo, đàn – nhớt, từ biến…của các kết cấu, các bài toán chất lỏng chảy Newton hay phi Newton, giải quyết được các bài toán về lý thuyết biến dạng lớn, bài toán ma sát, bài toán về vật liệu nhiều lớp với đặc trưng khác nhau thông qua các phần tử tiếp xúc (contact). Đặc biệt chương trình này giải quyết được các bài toán trường cặp đôi (coupled field) như bài toán nhiệt – cơ, nhiệt - điện, từ - cơ học, từ - nhiệt…
Với hơn 180 phần tử trong thư viện phần tử, ANSYS có thể giải quyết được hầu hết các bài toán trong kỹ thuật đã kể trên. Các phần tử được rời rạc hóa rất đa dạng như phần tử kết cấu thanh, dầm, tấm 2D, Solid 3D, phần tử nhiệt, điện, từ, phần tử contact…, phần tử cặp đôi. Chương trình có khả năng đồ họa mạnh mẽ (như một chương trình Cad và hỗ trợ liên kết với các chương trình đồ họa khác như Cattia, Pro/Engineer, Mechanical, Desktop…) giúp cho việc mô hình cấu trúc rất mạnh, chính xác. Sau đó chuyển từ mô hình hình học sang mô hình phần tử hữu hạn với độ mịn của lưới có thể điều chỉnh hay để chương trình tự động chia lưới. Chương trình rất hữu dụng trong việc mô phỏng, thử nghiệm cho nên có thể giảm được đáng kể chi phí sản xuất.
Việc sử dụng chương trình có thể thông qua các giao diện, bằng cách viết tập lệnh hay cũng có thể kết hợp cả hai. Ngoài ra, có thể dùng ANSYS như một ngôn ngữ lập trình để có thể mô tả bài toán và xử lý kết quả một cách năng động, chính xác theo ý muốn người sử dụng. Kết quả có thể được tình bày dưới dạng file text, hình ảnh (tĩnh hoặc động), biểu đồ nên rất tiện cho người sử dụng trong việc so sánh, đối chiếu và xử lý kết quả.
Tóm lại, ANSYS là một chương trình rất mạnh, đa năng và giải quyết được hầu hết các bài toán trong kỹ thuật. Việc ứng dụng chương trình này rất phù hợp với lĩnh vực mà tác giả đang nghiên cứu, bởi đây là bài toán xét sự làm việc nhiều loại phần
24 tử khác nhau và có quan hệ phi tuyến mà các chương trình thông dụng ở Việt Nam hiện nay không thể giải quyết được.
3.4.2. Phương pháp mô hình
Việc lựa chọn phương pháp mô hình tiết diện dầm liên hợp thép - bê tông cũng ảnh hưởng không nhỏ đến độ chính xác của kết quả thu được cũng như thời gian tính toán. Mỗi phương pháp đều có điểm mạnh cũng như điểm yếu khác nhau. Dựa vào đặc điểm của luận văn, tôi chọn phương pháp mô hình theo cách là sử dụng phần tử khối để mô tả bản bê tông, dầm thép và liên kết neo chống cắt. Sở dĩ chọn mô hình này bởi vì:
• Khi mô hình bằng phần tử khối thì ta có thể mô tả được sự làm việc theo chiều dày của bản bê tông, dầm thép và neo chống cắt. Và điều này giúp cho việc mô hình chính xác hơn sự làm việc của dầm liên hợp thép – bê tông;
• Khi sử dụng phần tử khối, thì khoảng hở giữa bản bê tông và cánh trên dầm thép rất nhỏ, nên thuận lợi cho việc mô tả sự tương tác tại mặt tiếp xúc.
3.4.3. Rời rạc hóa kết cấu 3.4.3.1. Bản bê tông
Hình 3.5. Phần tử Solid65 của ANSYS
Phần tử Solid65 (Hình 3.5) được sử dụng để mô phỏng cho bản bê tông có hoặc không có cốt thép, phần tử này có khả năng thể hiện đặc tính phi tuyến của vật liệu bê tông là tính nứt do kéo và ép vỡ do nén. Nó thích hợp để ứng dụng mô phỏng ứng xử của vật liệu bê tông, vật liệu composite (sợi thủy tinh) hay đất đá. Phần tử này được định nghĩa bởi 8 nút, mỗi nút có 3 bậc tự do đó là: 3 thành phần dịch chuyển
25 theo 3 phương x, y, z. Ngoài ra phần tử Solid65 có khả năng cho phép khai báo mô hình cốt thép thanh chịu kéo, nén được phân tán trong nó.
3.4.3.2. Thép hình I và neo chống cắt
Hình 3.6. Phần tử Solid45 của ANSYS
Phần tử Solid45 (Hình 3.6) được sử dụng cho mô hình không gian 3 chiều của các cấu trúc rắn. Phần tử được xác định bởi tám nút, mỗi nút có ba bậc tự do: dịch chuyển theo 3 phương x, y, z. Phần tử có khả năng thể hiện tính dẻo, sự trượt, sự trương nở, độ võng lớn và khả năng biến dạng lớn.
3.4.3.3. Thép dọc và cốt đai
Hình 3.7. Phần tử Link180 của ANSYS
Phần tử Link180 thấy ở Hình 3.7 là một thanh không gian 3 chiều, rất hữu ích trong một loạt các ứng dụng mô phỏng. Phần tử có thể được sử dụng để mô hình các vì kèo, cáp, liên kết… . Phần tử này có tính chất kéo – nén dọc trục, gồm có 2 nút với ba bậc tự do tại mỗi nút: dịch chyển theo các hướng x, y và z. Phần tử còn có khả năng thể hiện tính dẻo, từ biến, độ võng lớn và khả năng biến dạng lớn, nên rất thích hợp để mô phỏng thanh cốt thép.
26
A - A
Neo chống cắt Tấm bê tông
Dầm thép IPE160