CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS
4.1. Cách thức xây dựng mô hình liên kết trong Abaqus
Trong luận văn này, các kích thước của mẫu thí nghiệm liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT được mô hình với các kích thước tương ứng với mẫu được làm thí nghiệm.
4.1.1. Loại phần tử và tương tác
Thư viện Abaqus có nhiều loại phần tử khối khác nhau như Hình, mỗi loại phần tử đều có những ưu điểm riêng. Phần tử C3D8 là loại phần tử có 8 nút tại mỗi góc đây là loại phần tử phổ biến áp dụng cho các bài toán phân tích kết cấu có dạng hình học không phức tạp, phần tử này cho kết quả với khả năng hội tụ cao và chính xác, thời gian giải nhanh hơn so với các loại phần tử khác. Phần tử C3D20 là loại phần tử có 20 nút, đây là loại phần tử được dùng khi tính toán các mô hình chi tiết, cần thu được kết quả tốt, tuy nhiên sử dụng phần tử này sẽ làm tăng khối lượng tính toán rất nhiều và thời gian giải sẽ mất nhiều thời gian hơn. Phần tử C3D10 là loại phần tử có 10 nút được áp dụng khi các mô hình có hình dạng bất thường, phần tử này cho kết quả không tốt như 2 loại phần tử C3D8 và C3D20. Qua việc phân tích các loại phần tử như trên, luận văn này phần tử lập phương C3D8R được sử dụng để mô phỏng các
34
cấu kiện bê tông và phần tử lập phương C3D8I được sử dụng để mô phỏng các cấu kiện thép hình.
C3D8 C3D20 C3D10M
Hình 4.1: Các loại phần tử khối trong Abaqus
Cốt thép sàn được mô phỏng bằng phần tử dạng thanh T3D2. Gồm có 2 nút, mỗi nút có 3 bậc tự do.
Phần liên kết giữa cốt thép và vê tông được mô phòng bằng tương tác “Embedded Method”. Cách mô phỏng này mặc định sự liên kết tuyệt đối giữa bê tông và cốt thép, điều đó cũng có nghĩa chuyển vị giữa các nút của phần tử bê tông và cốt thép là liên tục. Cần lưu ý là phương pháp mô phỏng này chỉ mang tính tương đối và phù hợp khi khi kết quả tính toán không yêu cầu xem xét đến ứng xử cục bộ giữa bê tông và cốt thép khi vết nứt lớn xuất hiện làm giảm liên kết giữa cốt thép và bê tông.
Phần liên kết giữa cột ống thép và các chi tiết chống cắt hàn chặt với nhau được mô phỏng bằng tương tác “Tie”. Trong dạng tương tác này một mặt tiếp xúc sẽ được định nghĩa là mặt chính (master surface) mặt còn lại là mặt phụ (slave surface). Các nút trong mặt phụ sẽ được gắn chặt với các nút của mặt chính khi ràng buộc tương tác
“Tie”. Điều này có nghĩa là mọi nút trên bề mặt phụ đều phải chuyển động tịnh tiến và quay cùng với nút trên bề mặt chính gần nó nhất.
Phần liên kết giữa thép hình và bê tông được mô phỏng bằng tương tác “Hard Contact”. Tương tác “Hard Contact” khi hai loại phần tử có vật liệu khác nhau, và các mặt của phần tử này tiếp xúc với các mặt của phần tử còn lại thì sẽ xuất hiện sự tương tác của các mặt tiếp xúc. Sự tương tác này trong ABAQUS thể hiện thông qua
“Hard Contact”. Có thể coi 1 trong 2 mặt là đóng vai trò là mặt phụ “Slave Surface”
và mặt còn lại đóng vai trò là mặt chính “Master surface”. Sự tương tác này có thể chia thành 2 thành phần là tương tác theo phương tiếp tuyến và tương tác theo phương
35
pháp tuyến. Theo phương tiếp tuyến sự tương tác giữa 2 mặt thông qua hệ số ma sát giữa các loại vật liệu. Theo phương pháp tuyến được thể hiện thông qua độ cứng của vật liệu mặt tiếp xúc chính “Master surface” độ cứng theo phương pháp tuyến được xác định dựa vào thông số vật liệu của mặt “Master surface” trong luận văn tương tác
“Hard contact” được sử dụng để mô phỏng sự tương tác giữa các mặt của tấm thép sườn, của cột thép với sàn bê tông. Hệ số ma sát trong tương tác “hard contact” được lấy giá trị là = 0.45 theo đề xuất của tác giả Pinyu-Yan [2].
Hình 4.2: Mẫu thí nghiệm Pinyu-Yan được mô phỏng trong Abaqus
Hình 4.3: Mẫu thí nghiệm Jin-Won Kim được mô phỏng trong Abaqus
36 4.1.2. Mô phỏng điều kiện biên
Tấm sàn được đặt trên dầm thép I làm gối đỡ, tuy nhiên để đơn giản khi mô phỏng coi sàn bê tông tựa đơn lên 4 cạnh, và 4 cạnh này ngăn cản chuyển vị theo phương đứng (Y) như thể hiện trong hình Hình 4.4.
Hình 4.4: Điều kiện biên gối đỡ sàn mô hình
Do tính đối xứng của thí nghiệm nên tác giả chỉ mô phỏng 1 phần 4 sàn. Các điều kiện biên của mặt phẳng giao tuyến có các điều kiện ràng buộc như Hình 4.5
- Mặt phẳng giao tuyến 1 không chuyển vị theo phương Z - Mặt phẳng giao tuyến 2 không chuyển vị theo phương X - Cột chỉ có thể di chuyển theo phương Y
Hình 4.5: Điều kiện biên của mặt phẳng giao tuyến khi mô phỏng 1 phần 4 sàn và điểm liên kết
37 4.1.3. Tải trọng
Cách thức gia tải được mô phỏng gồm một chuyển vị đứng được gán vào vị trí tương ứng của kích thủy lực thông qua một điểm liên kết “Reference point” Hình 4.5. Điểm này đưươc gán với bề mặt đầu cột tiếp xúc với kích thủy lực thông qua liên kết “Rigid Body”. Trong các cách thức mô phỏng nói chung cho lực tập trung, cách gán chuyển vị được sử dụng rộng rãi hơn là phương thức gán tải trọng vì nó cho kết quả ổn định hơn trong quá trình tính toán. Tải trọng bản thân được bỏ qua để giảm thời gian tính toán.
4.1.4. Chia lưới
Kích thước chia lưới (mesh) của các mô hình như sau: kích thước phần tử cột và chi tiết chống cắt là 20 mm, kích thước phần tử của sàn là 30 mm, chiều dài của các phần tử thanh mô phỏng cốt thép là 50 mm.
Hình 4.6: Chia lưới mô hình Pinyu-Yan
Hình 4.7: Chia lưới mô hình Jin-Won Kim
Mô hình phân tích tĩnh (Abaqus/Standard) với thuật toán Newton-Raphson được sử dụng để tính toán các mô hình phi tuyến hình học và vât liệu.
38