KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ …fceam.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/fceam/LuanVanThacSi/XDDD... · Việc sử dụng vật liệu

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGUYỄN TẤT THÀNH

KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO

CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ CỐT THÉP

TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ


KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO

CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ CỐT THÉP

TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP - 60580208

Hướng dẫn khoa học:

T.S LÊ ANH THẮNG

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai

công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…

(Ký tên và ghi rõ họ tên)


1

CẢM TẠSau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ cuả quý thầy trong trường. Tôi đã

hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng

quý thầy của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức

và lối sống.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô

khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến

thức vô cùng quý báo trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện

luận văn tốt nghiệp của tôi..

Và đặc biệt tôi vô cùng biết ơn Thầy Lê Anh Thắng đã tận tình giúp đỡ và

hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi

những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những

phương hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.

Và cảm ơn các bạn lớp XDC2015A cũng như các lớp khác đã nhiệt tình

giúp đở và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn.

Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Tuy rằng luận văn này được thực

hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng không ít sai sót trong quá trình nghiên

cứu. Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của

quý thầy để luận văn được hoàn thiện hơn.

Trân trọng!

Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 16 tháng 09 năm 2016

Học viên thực hiện

Nguyễn Tất Thành

Lớp XDC 2015A

2

TÓM TẮT

Việc sử dụng vật liệu xỉ thép ứng dụng trong xây dựng là một hướng

nghiên cứu phát triển ở Việt Nam. Xỉ thép có tính chất tương tự nhằm thay

thế đá tự nhiên trong bê tông. Trong nghiên cứu này, đưa ra đánh giá quá

trình mô phỏng mô hình dầm bê tông cốt thép mà thay thế cốt liệu lớn bằng

xỉ. Việc đánh giá mô hình được dựa trên kết quả thực nghiệm, tiến trình mô

phỏng và thông số định nghĩa trong mô hình. Mô hình và phân tích được thể

hiện thông qua phần mền Abaqus. Hai mô hình đường cong quan hệ ứng suất

và biến dạng của bê tông được lựa chọn để đánh giá quá trình mô phỏng dầm.

Mỗi mô hình có hai đường cong ứng xử ở hai trạng thái làm việc của bê tông.

Vật liệu bê tông được mô phỏng bằng cả miền chịu kéo và chịu nén. Trong

nghiên cứu này, Sự kết hợp giữa hai mô hình số thép với hai mô hình bê tông

để tìm sự kết hợp phù hợp. Tỉ lệ chia phần tử cũng là một đề xuất khi mô

phỏng dầm. Mô hình được đánh giá chính xác khi sai số giữa hai biểu đồ

đường cong quan hệ lực và chuyển vị dầm giữa mô phỏng và thực nghiệm

nhỏ nhất. Trong phân tích mô hình mô phỏng, dầm bê tông xỉ cốt thép được

mô phỏng dựa vào thực nghiệm và mô hình số vật liệu của bê tông thường

(RCB). So sánh biểu đồ thực nghiệm và mô phỏng để phân tích đưa ra nhận

xét. Tương tự kết quả mô phỏng của dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê

tông xỉ (SRCB) cũng được so sánh. Từ kết quả so sánh này, Nghiên cứu này

chỉ ra rằng có thể sử dụng thông số mô hình bê tông thường để mô phỏng cho

dầm bê tông xỉ và đưa ra sai số cần thiết khi sử dụng giả thuyết này.

3

ABSTRACT

Using slag in construction is a promisingly research direction for

sustainable development in Vietnam. The properties of slag are expected to

replaceable large particles in concretes. The article discusses the process of

validating computational models of concrete beams in which large particles is

replaced by steel slag. The model evaluation was conducted on the basis of

experimental results and covers the process of modeling and identification of

parameters in the model. The modeling and analysis is conducted in supported

environment of Abaqus. Two models of stress-strain relationship of concretes

are chosen for consideration in beams modeling processes. Each model has

two curves representing behaviors in both stages of concretes. Concretes

material is simulated both compression and tension processes. They are

combined with two steel reinforcement models to find suitable models of slag

concretes. A meshed size is also proposed for the beams modeling. Small

errors between two relationship curves of load and mid-span deflection

indicates that the validation is successes. Moreover, In this simple supported

beam analysis, the model of SRCB was conducted on the basis of

experimental and computational models of concrete beams in which use

crushed limestone aggregate concretes (RCB). Finally, the results of the

experimentation and the Abaqus analysis were comprared in a diagram.

Similarly, the results of the model of SRCB and models of RCB also were

comprared. From the results of this comparison, The article shows that can

use the process of modeling and identification of parameters of the model of

RCB to simulate for SRCB and shows that degree of accuracy when using the

model of RCB to simulate for SRCB.

4

MỤC LỤCTrang tự đầu Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH CÁ NHÂN ................................................................................... i

CẢM TẠ ..................................................................................................... ii

TÓM TẮT .................................................................................................. iv

MỤC LỤC .................................................................................................. vi

DANH SÁCH HÌNH.................................................................................... x

DANH SÁCH BẢNG ............................................................................... xiv

Chương 1 – TỔNG QUAN........................................................................... 1

1.1. Tổng Quan ............................................................................................ 1

1.1.1. Phương pháp mô phỏng tính toán............................................. 1

1.1.2. Bê tông xỉ cốt thép ................................................................... 4

1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu ...................................... 4

1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................... 5

1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài ...................................................... 5

1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài................................... 5

1.2.4. Phương pháp nghiên cứu............. ................................................5

1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ................................. 5

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................6

2.1. Công nghệ mô phỏng dầm ..................................................................... 6

2.1.1. Khái niệm về mô phỏng ........................................................... 6

2.1.2. Ưu và nhược điểm mô phỏng ................................................... 7

2.1.3. Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép................................7

2.1.4. Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).........................................9

5

2.1.5. Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D)......................................10

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm............................ 10

2.3. Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tông cốt thép .................................. 12

2.4. Mô hình vật liệu bê tông trong mô phỏng ........................................... 13

2.4.1. Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS ............................. 13

2.4.2. Một số mô hình số vật liệu bê tông ....................................... 16

2.5. Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng ................................................ 23

2.5.1. Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) .................... 23

2.5.2. Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL) ......... 24

2.6. Thông số tính toán cho mô hình .......................................................... 25

2.6.1. Hệ số modul đàn hồi ............................................................ 27

2.6.2. Hệ số poission...................................................................... 27

2.6.3. Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh) ............................................. 27

2.6.4. Thông số mô hình phá hoại dẻo ........................................... 27

2.6.5. Loại phần tử trong mô phỏng ............................................... 28

2.6.6. Mô hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực...28

2.7. Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus............................ ..27

Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM...........................29

3.1. Các tính toán nén mẫu để lấy thông số đầu vào cho mô hình ............... 31

3.1.1. Cấp phối bê tông sử dụng trong thí nghiệm........................... 31

3.1.2. Kết quả nén cường độ ........................................................... 31

3.2. Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm......................................... 32

3.2.1. Mục đích thí nghiệm .............................................................. 32

3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm ......................................... 32

3.2.3. Công tác chuẩn bị.......................................................................35

6

3.2.4. Trình tự thí nghiệm.....................................................................36

3.2.5. Kiểm tra mẫu thử........................................................................37

3.3. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ ................................................... 39

3.3.1. Chuyển vị giữa dầm ............................................................... 39

3.3.2. Biến dạng giữa dầm ............................................................... 39

3.3.3. Biến dạng tại ¼ dầm .............................................................. 40

Chương 4 - THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN

ABAQUS........................................................................................................42

4.1. Thông số tính toán cho mô hình .......................................................... 42

4.1.1. Mô hình vật liệu bê tông ....................................................... 42

4.1.2. Mô hình vật liệu thép ............................................................ 46

4.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử ......................... 47

4.2. Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS ................................. 48

4.2.1. Xây dựng cấu kiện ................................................................. 48

4.2.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt ............................... 54

4.2.3. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện ................................................. 57

4.2.4. Định nghĩa ràng buộc ............................................................. 59

4.2.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên ................................... 62

4.2.6. Chia lưới cho cấu kiện dầm.................................................... 64

4.2.7. Thiết lập các bước phân tích .................................................. 66

4.2.8. Công tác phân tích ................................................................. 66

4.2.9. Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình ......................... 68

Chương 5- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ

HÌNH MÔ PHỎNG DẦM..............................................................................69

5.1. Hướng nghiên cứu và so sánh .............................................................. 69

5.2. Kết quả mô phỏng dầm bê tông thường và bê tông xỉ .......................... 70

5.3. Đánh giá sự chính xác mô hình mô phỏng ........................................... 70

7

5.3.1. So sánh tỉ lệ chia phần tử ....................................................... 70

5.3.2. Đánh giá sự chính xác mô hình số vật liệu ............................. 71

5.3.3. So sánh kết quả mô hình bê tông thường và bê tông xỉ ......... 76

Chương 6 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ

HÌNH MÔ PHỎNG DẦM..............................................................................80

6.1. Kết luận và đánh giá ............................................................................ 80

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................... .80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ .82

8

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 2.1: Mô phỏng dầm bê tông cốt thép....................................................10

Hình 2.2: Mô hình độ cứng chịu kéo bê tông (Abaqus Manual 2008).........14

Hình 2.3: Mô hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng....................15

Hình 2.4: Kết quả so sánh mô phỏng và thí nghiệm thực..............................16

Hình 2.5: Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).................18

Hình 2.6: Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus............................18

Hình 2.7: Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu........................19

Hình 2.8: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén

Hognestad........................................................................................................21

Hình 2.9: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo

Hognestad........................................................................................................22

Hình 2.10: Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình

thép..................................................................................................................21

Hình 2.11: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL)...........23

Hình 2.12 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL..............24

Hình 2.13 : Mô hình bám dính của 2 loại vật liệu..........................................29

Hình 3.1: Strain gauge....................................................................................33

Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị......................................................................34

Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện...........................................................................34

Hình 3.4: Máy ghi số liệu thực nghiệm..........................................................35

Hình 3.5: Gia công cốt thép và ván khuôn.....................................................36

Hình 3.6: Quá trình trộn bê tông....................................................................36

9

Hình 3.7: Công tác đầm dùi...........................................................................37

Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm...........................37

Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm.................................................38

Hình 3.10: Thiết kế dầm tính toán..................................................................38

Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT........................................................38

Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông thường.........39

Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông xỉ.................39

Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông

thường..............................................................................................................40


xỉ......................................................................................................................40

Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông

thường..............................................................................................................41

Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông

xỉ......................................................................................................................41

Hình 4.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus...................................................49

Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông................................50

Hình 4.3: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông..............50

Hình 4.4: Cửa số Edit Base Extrusion............................................................50

Hình 4.5: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông..................................51

Hình 4.6: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép...............................51

Hình 4.7: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép................................52

Hình 4.8: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai..........................................52

Hình 4.9: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai...........................................53

Hình 4.10: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc...............................53

Hình 4.11: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc...............................54

Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông..............................................55

10

Hình 4.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông.......................56

Hình 4.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép......................57

Hình 4.15: Lựa đối tượng gán mặt cắt............................................................57

Hình 4.16: Cửa sổ Edit Section Assignment..................................................57

Hình 4.17: Cửa sổ Create Instance.................................................................58

Hình 4.18: Cửa sổ sao khi hoàn thành việc lắp ghép bê tông và đệm

thép..................................................................................................................59

Hình 4.19: Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng......................................60

Hình 4.20: Mô hình sau khi chia khối các đối tượng.....................................60

Hình 4.21: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông.............................................61

Hình 4.22: Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông................................62

Hình 4.23: Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông......................................63

Hình 4.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.................................................64

Hình 4.25: Cửa sổ Global Seeds....................................................................65

Hình 4.26: Mô hình thiết lập chia lưới...........................................................65

Hình 4.27: Thông báo về chia lưới.................................................................66

Hình 4.28: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê

tông.................................................................................................................66

Hình 4.29: Cửa sổ Edit Step..........................................................................67

Hình 4.30: Cửa sổ Create Job........................................................................67

Hình 4.31: Cửa sổ Edit Job............................................................................68

Hình 4.32: Cửa sổ Job Manager.....................................................................68

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng dầm

RCB.................................................................................................................71

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng dầm SRCB.......................................................71

Hình 5.3: Biểu đồ so sánh các tỉ lệ chia tại giá trị chuyển vị 0,035...............72

11

Hình 5.4: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 1 dầm bê

tông xỉ..............................................................................................................74


tông xỉ..............................................................................................................76

Hình 5.6: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị cho RCB và SRCB..................78

Hình 5.12: Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng suất cốt thép cho RCB và

SRCB. .............................................................................................................79

Hình 6.1: Sự mở rộng vết nứt Abaqus. ..........................................................82

Hình 6.2: Mô phỏng nút khung và chịu tải động. ..........................................82

12

DANH SÁCH CÁC BẢNG

BẢNG TRANG

Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo.....................................................26

Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ..............................................28

Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường......................................28

Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ..................29

Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ...................39

Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu-Hsu.............................40

Bảng 4.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu.............................40

Bảng 4.4: Thông số miền chịu nén của mô hình E. Hognestad.....................41

Bảng 4.5: Thông số miền chịu kéo của mô hình E. Hognestad.....................42

Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép....................................................42

Bảng 4.7: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL.........................................43

Bảng 4.8: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL.........................................43

Bảng 4.9: Loại phần tử mô phỏng dầm.........................................................44

Bảng 4.10: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình....................................44

Bảng 5.1: Kết quả lực và chuyển vị giữa dầm cho nhiều tỉ lệ chia...............68

1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan.

1.1.1. Phương pháp mô phỏng tính toán.

Hiện nay, các cấu kiện trong công trình xây dựng được làm việc với

nhiều hình thức khác nhau. Để hiểu rõ các ứng xử của chúng trong quá trình

làm việc là điều rất cần thiết vì khi đó sẽ tính toán được rũi ro, cũng như dự

trù phương án thiết kế kết cấu phù hợp và hiệu quả với ứng xử đó tránh

trường hợp phát sinh rũi ro gây ảnh hưởng đến sự an toàn công trình. Nhiều

phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu ứng xử cấu kiện bê tông cốt

thép, trong đó có hai phương pháp thường sử dụng nhất là phương pháp thí

nghiệm và phương pháp mô phỏng. Nhưng phương pháp thí nghiệm có thể

cho biết được ứng xử thực của kết cấu nhưng lại tồn tại những khuyết điểm:

thời gian nghiên cứu lâu, chỉ phù hợp với cấu kiện kích thước (cấu kiện mà có

thể thí nghiệm) và tốn rất nhiều kinh phí để thí nghiệm cấu kiện. Những năm

gần đây, việc sử dụng phần tử hữu hạn (PTHH) trong xây dựng trở nên phổ

biến do sự phát triển không ngừng của công nghệ máy tính, mà chương trình

toán Abaqus là một trong những lựa chọn tốt nhất để mô phỏng và phân tích

ứng xử cấu kiện bê tông cốt thép nói riêng và mô phỏng tính toán nói chung.

Tuy nhiên, ứng xử vật liệu trong miền dẻo của kết cấu bê tông cốt thép là

tương đối phức tạp do thuộc tính phi tuyến của vết nứt và nén vở bê tông

trong giai đoạn đẻo. Thực tế phải cần một sự kết hợp mô phỏng được thực

hiện trước và kết quả thí nghiệm dùng để kiểm chứng và hiệu chỉnh. Sau đó,

mới dùng phương pháp mô phỏng cho cấu kiện khác. Trong nghiên cứu này,

mô phỏng bằng phần mền Abaqus và thí nghiệm đối chứng được thực hiện

cho cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm để đưa ra những phân tích và bình luận.

2

Nhiều nghiên cứu đã đưa ra được mô hình hóa cấu kiện bê tông. Từ

đó có thể sử dụng các thông số tính toán từ phần mền để hiểu rỏ hơn ứng xử

cấu kiện bê tông dưới tác dụng lực tác động. Một số nghiên cứu như sau:

+ Nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử của nút khung bê tông cốt thép

bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả Ths. Lê Đăng Dũng – Bộ

môn kết cấu xây dựng – Viện kỹ thuật xây dựng. Trong nghiên cứu này, tác

giả đã sử dụng phần mền Abaqus (SIMULA 2008) để mô phỏng tính toán nút

khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Từ mô phỏng , tác giả trình bày sự

làm việc và khảo sát sự phá hủy của nút khung khi thay đổi độ lệch tâm giữa

dầm và cột.

+ Nghiên cứu “ Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng

ứng xử không đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép” của tác giả Nguyễn Trần

Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải, Hồ Hữu Chỉnh. Các tác giả đã mô

phỏng tính toán phần tử hữu hạn bằng chương trình ANSYS. Dựa và mô hình

tác giả phân tích được ứng xử phi tuyến của các cấu kiện dầm cột bê tông cốt

thép, trong đó phần tử SOLID dùng để mô phỏng vật liệu bê tông, LINK dùng

để mô phỏng vật liệu cốt thép.

+ Nghiên cứu “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt

thép được tăng cường bằng bê tông lưới cốt dệt” của tác giả Nguyễn Huy

Cường, Vũ Văn Hiệp, Lê Đăng Dũng. Trong nghiên cứu này, các tác giả trình

bày nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường

bằng lưới dệt bê tông bên ngoài. Tác giả sử dụng phương pháp tính toán phần

tử hữu hạn bằng phần mền Abaqus. Phần mền Abaqus được sử dụng để mô

phỏng sự làm việc chịu uốn của kết cấu, có xét đến đặc điểm làm việc phi

tuyến của vật liệu, cũng như hình học. Mô hình ứng xử bám dính giữa hai lớp

vật liệu bê tông và lưới dệt sử dụng để mô tả chính xác sự làm việc, cũng như

cơ chế phá hoại của kết cấu dầm được gia cường.

3

+ Nghiên cứu “ A Material Model for Flexuaral Crack Simulation in

Reinforced Concrete Elements Using Abaqus” của tác giả Wahalathantri.B.L ,

Thambiratnam.D.P , Chan.T.H.T , FAWZIA.S . Trong nghiên cứu này, Các

tác giả đưa ra được các mô hình ứng xử vật liệu bê tông cốt thép cho phần

mền Abaqus. Mô hình mô tả ứng xử vật liệu thì bao gồm mô hình quan hệ

ứng suất biến dạng miền nén, và sự phá hoại miền kéo. Tác giả cũng mô

phỏng tính toán ứng xử của dầm chịu uốn. Thông qua kết quả, tác giả cho

chúng ta sự chính xác của các mô hình mô tả ứng xử vật liệu bê tông cốt thép.

+ Nghiên cứu “ Nolinear Analysis of Reinforced Con concrete

Beam Bending Failure Experimentation Based on Abaqus” của các tác giả

Deng Sihua, Qie Ze, Wang Li. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng

phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mền Abaqus. Trong phân tích

tính toán dầm thì các tác giả lựa chọn mô hình phá hoại dẻo để sử dụng tính

toán mô phỏng dầm chịu uốn. Tác giả phân tích ứng xử sự làm việc và phá

hoại của dầm chịu uốn.

+ Nghiên cứu “Modeling of Concrete for Nonlinear Analysis Using

Finite Element Code Abaqus” của các tác giả S.V. Chaudhari và

M.A.Chakrabaeti. Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích tính toán tính

chất vật liệu bê tông có xét đến tính phi tuyến. Tác giả sử dụng phương pháo

phần tử hữu hạn thông qua phần mền Abaqus. Trong mô hình tính toán, tác

giả đã sử dụng mô hình 3D và mô hình phá hoại dẻo và mô hình vết nứt rời

rạc qua đó so sánh sự chính xác của hai mô hình khi mô phỏng tính toán cấu

kiện dầm chịu uốn.

Vì vậy, Nghiên cứu bằng phương pháp bằng phương pháp mô phỏng

rất phát triển để nghiên cứu ứng xử cấu kiện dầm. Phương pháp này có nhiều

ưu điểm nhưng khả năng khảo sát ứng cấu kiện: tiết kiệm thời gian nghiên

cứu, có thể ứng dụng trên nhiều cấu kiện, thay đổi thông số mô hình tương

4

đối nhanh, có thể nghiên cứu trên cấu kiện có kích thước không thể thực

nghiệm.

1.1.2. Bê tông xỉ cốt thép.

Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu chính là vật liệu bê tông

xỉ cốt thép. Bê tông xỉ cốt thép ngày này được xem là một loại vật liệu xanh,

làm giảm sự ô nhiễm môi trường (do sử dụng xỉ thép trong nghành chế tạo

kim loại nặng giảm lượng xỉ thải ra môi trường). Bê tông xỉ cốt thép cũng là

một chủ đề nghiên cứu mạnh ở Việt Nam. Xỉ thép là một loại vật liệu phế thải

từ nghành công nghiện luyện thép. Những nhà nghiên cứu nghĩ rằng, vật liệu

xỉ có thể thay thế một phần trong cấu kiện bê tông cốt thép (thay thế cốt liệu

lớn đá). Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm về loại vật liệu xỉ

này. Và cũng chỉ ra rằng xỉ thép là loại vật liệu có tính chất tương tự tính chất

của đá tự nhiên. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí

Minh cũng có nhiều nghiên cứu về tính chất vật liệu xỉ như nghiên cứu của

tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2015 [8] bằng phương pháp thực nghiệm.

Trong nghiên cứu này chỉ ra rằng “ Đưa ra được hệ số modul đàn hồi bê tông

xỉ cốt thép, hệ số possion, cũng nhưng tính chất cường độ bê tông xỉ tốt hơn

bê tông đá tự nhiên”. Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp mô phỏng

để xem tính chất của vật liệu xỉ trong dầm chịu uống ba điểm.

1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu.

1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài.

Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tính chất của xỉ thép, cũng như tính chất

của bê tông xỉ cốt thép. Nhưng chưa nghiên cứu về ứng xử vật liệu bê tông xỉ

cốt thép trong cấu kiện. Nghiên cứu này mong muốn sử dụng những tính chất

của bê tông xỉ đã có từ những nghiên cứu trước, để mô phỏng tính toán cho

cấu trước cho trong thí nghiệm uốn ba điểm cho thấy ứng xử cấu kiện trong

chịu tác dụng của tải trọng so sánh kết của thực nghiệm. Hướng đến sử dụng

5

mô phỏng để mô tả những cấu kiện không thể thí nghiệm được tại phòng thí

nghiệm.

1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài.

Nghiên cứu này đề cập đến hai vấn đề chính trong quá trình mô phỏng

tính toán dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm.

+ Đưa ra những nhân tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng và cũng đề

xuất những thông số sử dụng để mô phỏng để đạt được kết quả chính xác

nhất.

+ Đề xuất giả thuyết mô hình ứng xử vật liệu bê tông xỉ trong mô

phỏng dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm. Thông qua

mô hình vật liệu dùng cho bê tông đá thường (đưa ra hệ số sai lệch).

1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài.

Đối tượng chính trong nghiên cứu này là loại vật liệu bê tông xỉ cốt

thép, trong đó có sử dụng bê tông đá tự nhiên để đưa ra kết quả kiểm chứng.

Phạm vi nghiên cứu đề tài, dầm bê tông xỉ cốt thép chịu uốn ba điểm.

1.2.4. Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu chính trong đề tài là phương pháp mô phỏng

theo phần tử hữu hạn kết hợp với so sánh kết quả thực nghiệm (từ thí nghiệm

thực tế).

1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Hoàn thiện thêm cách nghiên cứu mô phỏng cho loại vật liệu mới bê

tông xỉ cốt thép.

Tăng khả năng ứng dụng xỉ thép trong dầm bê tông xỉ cốt thép so với

bê tông đá tự nhiên.

Đưa ra được cách mô phỏng dầm bê tông xỉ và đưa ra được những nhân

tố ảnh hưởng trực tiếp kết quả mô phỏng.

Đề xuất được mô hình số ứng xử vật liệu cho bê tông xỉ cốt thép.

6

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Công nghệ mô phỏng dầm.

2.1.1. Khái niệm về mô phỏng.

Mô hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mô

hình nhằm các thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến

hành các thực nghiệm trên mô hình. Lý thuyết xây dựng mô hình và nghiên

cứu mô hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mô hình hóa. Nếu các

quá trình xảy ra trong mô hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với

các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mô hình đồng

nhất với đối tượng. Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên

mô hình để thu nhận thông tin về đối tượng.

Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa

trên việc xây dựng mô hình số (Numerical model) và dùng phương

pháp số (Numerical method) để tìm các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là

công cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống. Lý thuyết

cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mô

hình gần đúng với đối tượng mà thôi, vì trong quá trình mô hình hóa bao giờ

cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mô hình,

để mô hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dù vậy, mô hình

hóa luôn luôn là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối

tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc biệt, ngày nay với

sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và công

nghệ thông tin, người ta đã phát triển các phương pháp mô hình hóa cho phép

xây dựng các mô hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời

việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thông tin về mô hình rất thuận tiện, nhanh

7

chóng và chính xác. Chính vì vậy, mô hình hóa là một phương pháp

nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là

các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của

mình.

2.1.2. Ưu và nhược điểm mô phỏng.

Phương pháp mô phỏng có một số ưu và nhược điểm hơn so với

phương pháp nghiên cứu thực nghiệm như sau:

� Giá thành nghiên cứu phương pháp mô phỏng tương đối thấp

hơn so với phương pháp thực nghiệm.

� Thời gian dự đoán kết quả nhanh hơn so với phương pháp thực

nghiệm.

� Nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng của giảm rủ ro trong

quá trình thí nghiệm.

� Phương pháp mô phỏng cũng có thể dự đoán được những cấu

kiện tương đối lớn ( không thể nghiên cứu trong thí nghiệm do điều kiện thí

nghiệm không cho phép).

Tuy nhiên, phương pháp mô phỏng cũng tồn tại những khuyết điểm cần

đáng chú ý.

� Phương pháp để sai số so với thực nghiệm. Do có rất nhiều thông

số điều chỉnh cần phải nắm rõ những thông số này tránh trường hợp kết quả

lệch do các thông số tính toán.

� Phương pháp này cũng cho kết quả tương đối chính xác.

2.1.3. Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép.

Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện chịu uốn được áp dụng rộng rãi trong

nghành xây dựng. Đối với việc dự đoán ứng xử dầm bê tông cốt thép, có

nhiều phương pháp được sử dụng trong đó có cả phân tích tĩnh và phương

pháp số. Tính toán phân tích tĩnh của dầm bê tông được áp dụng cho dầm có

8

tình đồng nhất và những hình dạng đơn giản. Phương pháp này cũng tính toán

cho dầm bê tông cốt thép khi chưa xuất hiện vết nứt. Tuy nhiên, khi định

nghĩa ứng xử hoàn toàn cho vật liệu, xét đến sự không đồng nhất mặt cắt

ngang như là: sự ảnh hưởng của cốt thép chịu lực, vật liệu tính toán đến miền

dẻo (xét đến trạng thái khi xuất hiện vết nứt), kể đến sự ảnh hưởng của việc

trượt giữa các vật liệu (trong đó có sự trượt bê tông và cốt thép) thì phương

pháp phân tích tĩnh toán không áp dụng được, mà thay vào đó là phương pháp

số.

Ngoài việc phương pháp số có thể dự đoán được ứng xử của dầm bê

tông cốt thép ở cả giai đoạn đàn hồi, giai đoạn dẻo (xuất hiện vết nứt) và ứng

xử những trạng thái phức tạp của dầm. Cùng sự phát triển máy tính ngày càng

phổ biến, thì những phần mền tính toán mô phỏng dự trên phương pháp số

cũng pháp triễn rộng rãi cho các cấu kiện trong nghành xây dựng. Trong đó

phương pháp phần tử hữu hạn cũng phát triển theo. Phương pháp này cùng

với phần mền máy tính đã giải quyết được nhiều bài toán phức tạp, trong đó

việc tính toán mô phỏng dầm bê tông cốt thép.

Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn phụ thuộc và một số yếu tố

sau:

1. Quy mô của kết cấu (một cấu kiện hay toàn bộ kết cấu).

2. Sự phức tạp của cấu kiện mô phỏng (1D, 2D, 3D).

3. Kết quả cần đạt được (cho toàn bộ, cục bộ cấu kiện).

4. Mức độ chính xác.

5. Sự hạn chế của mô hình (vật liệu phân tích đàn hồi, trạng thái

dẻo, sự trượt các vật liệu...)

Ngoài ra, khi tính toán mô phỏng cho cấu kiện, vấn đề quan trọng là

cân bằng giữa sự chính xác từ kết quả mô hình và phương tiện mô phỏng (liên

quan đến cấu hình máy để chạy kết quả mô phỏng và thời gian chạy mô

9

hình). Khi cần sự chính xác tiệm cận với giá trị thực tế thì phải dùng phương

tiện máy tính cho mô hỏng phải mạnh và tương ứng thời gian tính toán cho

bài toán cũng tương đối dài.

Vấn đề vết nứt trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép, nó thuộc về sự phá

hoại cục bộ dầm. Cùng với hiện tượng này, là hiện tượng trượt giữa bê tông

và cốt thép chịu lực. Hai hiện tượng này là nguồn gốc chính cho sự phát triển

phi tuyết của vật liệu bê tông cốt thép. Ở giai đoạn này vật liệu ứng xử hoàn

toàn khác so với giai đoạn đàn hồi. Trong phương pháp mô phỏng dựa trên

phần tử hữu hạn, giai đoạn này được phát triển mô hình riêng.

2.1.4. Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).

Cấu kiệm dầm bê tông cốt thép thường không sử dụng mô phỏng đối

tượng vật rắn (3D) .Vì khi sử dụng đối tượng vật rắn (3D) đòi hỏi nhiều biến

tính toán hơn đối tượng cấu trúc (1D) hoặc đối tượng lên tục (2D). Nhưng khi

sử dụng đối tượng vật rắn (3D) mang lại một số ưu điểm. Khi sử dụng đối

tượng này sẽ đạt được dạng phá hủy của dầm (nứt và trượt neo cốt thép tại

gần gối) mà khi sử dụng đối tượng khác thì không thể đạt được kết quả.

Mô phỏng cốt thép chịu lực khi chọn đối tượng dầm theo mô hình ba

chiều cũng có nhiều cách mô phỏng khác nhau như là:

+ Mô phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng 3D. Khi mô

phỏng xem mỗi thanh cốt thép là một đối tượng. Trong quá trình phân tích

xem các thanh cốt thép này là một lớp giữa bê tông hoặc nhúng chúng vào

trong bê tông. Sau đó khai báo sự bám dính bề mặt hai loại vật liệu bê tông và

thép bằng mô hình bám dính.

+ Mô phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng như tấm theo

2D gán một chiều dày quy đổi tương đối cho lớp này hoặc có thể mô phỏng

cốt thép lực như dạng thanh theo 1 phương. Khi phân tích tính toán thì định

nghĩa các tính chất đối tượng này theo mặt cắt ngang dầm.

10

Trong cả hai trường hợp mô phỏng cho thanh cốt thép chịu lực cho dầm

bê tông cốt thép đều được sử dụng rộng rãi và được áp dụng cho nhiều phần

mền mô phỏng trong đó có phần mền Abaqus.

Hình 2.1 – Mô phỏng dầm bê tông cốt thép.

2.1.5. Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D).

Tương tự đối với mô hình theo ba phương. Mô hình mô phỏng dầm

theo hai phương cũng không được sử dụng trong ứng xử toàn cục của dầm.

Tuy nhiên, Phương pháp mô phỏng hai chiều thường được sử dụng trong việc

xác định về vết nứt (bề rộng vết nứt, hình dạng vết nứt).

Cấu kiện dầm có chiều lớn hơn so với bề rộng và chiều cao nên ứng

suất phẳng thường được sử dụng để phân tích dầm theo phương pháp mô

phỏng 2D. Cốt thép chịu lực trong dầm có thể mô phỏng theo đối tượng 2D

hoặc thanh 1D.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm.

Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải

các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các

điều kiện kiện cụ thể.

Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục

phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con

(phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền

con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa

11

trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với

sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.

Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử

dụng để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần

(PTVPTP) và phương trình tích phân. Ví dụ, như phương trình truyền

nhiệt. Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình

vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc

chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà

sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,….

PPPTHH không tìm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn miền xác định V

của nó mà chỉ trong những miền con Ve (phần tử) thuộc miền xác định của

hàm.Trong PPTHH miền V được chia thành một số hữu hạn các miền con,

gọi là phần tử. Các miền này liên kết với nhau tại các điểm định trước trên

biên của phần tử được gọi là nút. Các hàm xấp xỉ này được biểu diễn

qua các giá trị của hàm (hoặc giá trị của đạo hàm) tại các điểm nút trên

phần tử. Các giá trị này được gọi là các bậc tự do của phần tử và được xem

là ẩn số cần tìm của bài toán.

Trong việc giải phương trình vi phân thường, thách thức đầu tiên là

tạo ra một phương trình xấp xỉ với phương trình cần được nghiên cứu, nhưng

đó là ổn định số học (numerically stable), nghĩa là những lỗi trong việc nhập

dữ liệu và tính toán trung gian không chồng chất và làm cho kết quả xuất ra

xuất ra trở nên vô nghĩa. Có rất nhiều cách để làm việc này, tất cả đều có

những ưu điểm và nhược điểm. PPPTHH là sự lựa chọn tốt cho việc

giải phương trình vi phân từng phần trên những miền phức tạp (giống

như những chiếc xe và những đường ống dẫn dầu) hoặc khi những yêu cầu

về độ chính xác thay đổi trong toàn miền. Ví dụ, trong việc mô phỏng thời tiết

trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền quan trọng hơn là

12

dự báo thời tiết cho vùng biển rộng, điều này có thể thực hiện được bằng việc

sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như:

NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000,

SAMCEF, ABAQUS, ...

2.3. Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tông cốt thép.

Trong phân tính phi tuyến kết cấu bê tông cốt thép có ba loại phi tuyến

chính: Phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học, phi tuyến điều kiện biên. Phi

tuyến vật liệu không chỉ xem xét đến miền đàn hồi, mà còn được xem xét đến

đến trạng thái làm việc dẻo khi phân tích tính chất cơ học của vật liệu bê tông

và cốt thép. Trong phần mền ABAQUS, tính chất vật liệu được định nghĩa

bằng mô hình vật liệu gồm có 2 giai đoạn: Giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo.

Trong giai đoạn đàn hồi, tính chất vật liệu được định nghĩa bằng hai thông số

cơ bản: Modul đàn hồi và hệ số possion. Trong giai đoạn dẻo: Tính chất vật

liệu được định nghĩa bằng quan hệ ứng suất – biến dạng. Tuy nhiên có rất

nhiều mô hình quan hệ ứng suất biến dạng: Mô hình phá hoại dẻo, Mô hình

vết nứt rời rạc, Mô hình vết nứt giòn…Mô hình dẻo của sự phá hoại bê tông

có những thuận lợi như sau: có thể sử dụng cho nhiều loại tải khác nhau ( tải

tập trung, tải trọng động, tải theo chu kỳ…).

Mô hình vết nứt giòn được sử dụng khi vật liệu có tính chất cơ học thay

đổi khi xuất hiện vết nứt do kéo. Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng chịu nén

lúc này được giả định là đàn hồi tuyến tính. Mô hình này được lựa chọn cách

thức xuất hiện vết nứt rời rạc để đại diện cho ứng xử giòn không liên tục (vết

nứt rời rạc xuất hiện ở những vị trí khác nhau) trong vật liệu. Vì vậy mô hình

này phù hợp cho các loại vật liệu có tính chất giòn như đất sét, đá…

Mô hình vết nứt rời rạc thường được sử dụng để tính toán phi tuyến

dưới tác dụng của tải trọng tỉnh. Mô hình này chủ yếu sử dụng cho kết cấu bê

13

tông và cốt thép thường. Mô hình cho phép xác định được phản ứng kết cấu

dưới tác dụng các tác động. Sự phá hoại bê tông trong mô hình vết nứt rời rạc

là xuất hiện vết nứt ở vùng chịu kéo bê tông hoặc vở bê tông ở vùng chịu nén.

Mô hình được xây dựng bao gồm cả những ứng xử quan trọng như vết nứt,

biến dạng dẻo…. Vết nứt đã xuất hiện vị trí và hướng của nó được lưu lại để

xét cho các tính toán tiếp theo, nói cách khác tiết diện xuất hiện vết nứt sẽ

được tính toán với độ cứng và cường độ tương ứng với tiết diện thu hẹp do

vết nứt.

Mô hình phá hoại dẻo kết hợp cả tính đàn hồi và kéo đẳng hướng và

ứng xử dẻo khi nén để thể hiện tính phi tuyết của vật liệu bê tông. Định nghĩa

này trái ngược lại với vết nứt giòn. Mô hình phá hoại dẻo người dùng có thể

khai báo được giai đoạn cứng hóa và mềm hóa khi chịu nén như ứng xử phi

tuyến trong thực tế của vật liệu bê tông. Vì vậy, Mô hình phá hoại dẻo thường

được sử dụng trong mô phỏng tính toán cấu kiện bê tông cốt thép.

Mô hình phá hoại dẻo có những ưu nhược riêng:

+ Ưu điểm mô hình này: Có thể sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác

nhau và cho nhiều loại tải trọng khác nhau (tải trọng tĩnh, tải trọng động, tải

trọng theo chu kỳ)

+ Nhược điểm mô hình: Mô hình mô phỏng ứng xử vật liệu bê tông cốt

thép thông qua ứng xử vật liệu bê tông, cốt thép và các hệ số mô hình phá

hoại dẻo. Nếu chúng ta không kiểm soát thông số đầu vào một cách chính xác

rất dể xảy ra sự sai lệch về kết quả mô phỏng tính toán.

2.4. Mô hình vật liệu bê tông trong mô phỏng.

2.4.1. Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS.

Phần mền ABAQUS (SIMULIA, 2008) [1] , mô hình phá hoại dẻo

được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông: vết nứt chịu kéo,

14

cường độ chịu nén phá hủy. Trong mô hình, ứng xử nén dọc trục và kéo dọc

trục bê tông là hai tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo.

2.4.1.1. Quan hệ độ cứng chịu kéo.

Trong mô hình phá hoại dẻo, để mô phỏng tính ứng xử trong miền kéo

bê tông trong ABAQUS. Chúng ta chia nhỏ miền phá hủy trong quan hệ ứng

suất biến dạng được diễn tả bằng hình 2.2. Thông số đầu vào mô hình: Modul

đàn hồi (E), ứng suất (� ), biến dạng vết nứt ( ckt�ckt� ) phụ thuộc cấp độ bền của

bê tông. Biến dạng vết nứt ( ckt�ckt� ) được tính toán dựa vào tổng biến dạng theo

công thức sau:

ck elt t ol� � �� ckt t� � �ckt tt�� (1)

Trong đó: 0

el tol E

�� - ứng suất trong miền đàn hồi.

t� - tổng biến dạng của bê tông.

Hình 2.2 – Mô hình độ cứng chịu kéo bê tông (Abaqus Manual 2008).

Phần mền Abaqus SIMULIA 2008 [5] kiểm tra chính xác đường cong

phá hủy sử dụng giá trị biến dạng dẻo ( plt�pl

t� ) được tính toán dựa vào công

thức (2).

15

0(1 )

pl ck t tt t

t

dd E

�� (1t t d

pl ck tdt� plt �ck t

t� (2)

2.4.1.2. Quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền nén.

Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén,

thông số đầu vào: Ứng suất chịu nén( c� ), biến dạng ngoài miền đàn hồi ( inc�inc� )

được xác định bằng công thức (3) theo tổng biến dạng và biến dạng dẻo được

tính toán bằng công thức (4)

in elc c oc� � �� inc c� � �inc cc� (3)

Trong đó: 0

el col E

�� - biến dạng trong miền đàn hồi.

c� - tổng biến dạng trong miền chịu nén.

0(1 )

pl in c cc c

c

dd E

�� (1c c d

pl in cdc� �plc �in c� (4)

Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu

nén được minh họa hình 2.3.

Hình 2.3 – Mô hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng.

16

2.4.2. Một số mô hình số vật liệu bê tông.

Trong đề tài nghiên cứu này, có hai mô hình vật liệu bê tông được đề

xuất trong tính toán: Mô hình Hsu-Hsu (1994) [6] và Mô hình Hognestad

(1954) [7]. Hai mô hình vật liệu này được sử dụng phổ biến hiện nay và đã

nghiên cứu thành công ở một số công trình như: “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn

của dầm bê tông cốt thép được tăng cường dệt bằng bê tông cốt lưới dệt” của

các tác giả (Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp và Lê Đăng Dũng, 2012) [15].

Nghiên cứu này sử dụng mô hình E.Hognestad để mô phỏng vật liệu bê tông

trong quá trình mô phỏng sự phá hoại của dầm có gia cường lưới cốt sợi. Từ

kết quả mô phỏng so với thực nghiệm cho thấy kết quả tương đối chính xác.

Trên thế giới hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu: “Nolinear Analysis of

Reinforced Concrete Beam Bending Failure Experimentation Based on

Abaqus” của các tác giả (Deng Sihua, Qie Ze và Wang Li, 2015) [2]. Sử dụng

mô hình Hognestad để mô phỏng tính chất vật liệu trong dầm bê tông. Kết

quả chỉ ra rằng: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của mô phỏng và thực

nghiệm là tương đối chính xác.

Hình 2.4 – Kết quả so sánh mô phỏng và thí nghiệm thực tế [5]

Ngoài ra, nghiên cứu “A Material Model for Flexural Crack Simulation

in Reinforced Concrete Elements Using Abaqus”, của các tác giả

17

(Wahalathantri, Thambiratnam và Chan Fawzia, 2012) [2]. Trong nghiên cứu

này, các tác giả đã sử dụng mô hình mô hình Hsu – Hsu (1994) để mô phỏng

tính chất của vật liệu bê tông trong dầm bê tông trong thí nghiệm uốn ba điểm

và thí nghiệm uốn 4 điểm. Kết quả cũng chỉ ra rằng, kết quả mô phỏng tương

đối chính xác so với thực nghiệm.

2.4.2.1 Mô hình Hsu – Hsu (1994).

Mô hình Hsu – Hsu mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu bê tông, dựa

trên mô hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê

tông: vết nứt chịu kéo, cường độ chịu nén phá hủy. Tương tự trong đường

cong của phần mền Abaqus đề xuất. Mô hình dựa trên cường độ chịu nén dọc

trục và chịu kéo dọc trục để mô tả tính chất bê tông. Từ đó đưa ra hai đường

cong quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo và chịu nén của bê tông để mô tả

tính chất bê tông khi làm việc.

Mô hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông

Mô hình số cho ứng cử chịu kéo của bê tông đề xuất Hsu-Hsu (1994)

được sửa đổi và phát triển bởi Nayal và Rasheed (2006) là phù hợp tính toán

trong phần mền Abaqus. Do đó, chúng tôi ứng dụng mô hình này để thể hiện

ứng xử chịu kéo của bê tông. Mô hình tính này cũng thể hiện sự hình cường

độ chịu kéo dựa trên nền tảng quan hệ ứng suất biến dạng đẳng hướng. Mô

hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép được đề xuất Hsu-Hsu (1994)

được minh họa hình 2.5. Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi bởi Nayal và

Rasheed (2006) phù hợp với Abaqus được thể hiện hình 2.5.

18

Hình 2.5 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).

Việc sửa đổi mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006). Vì

biến dạng lớn nhất � cr� khi ứng suất � 0t� xuống � 00.8 t�� thì phần mền

Abaqus sẽ báo lỗi. Vì thế, Cần thay đổi giá trị ứng suất biến dạng tại vị trí đạt

giá trị biến dạng cực hạn � 0125 ,0.77cr t� �� và � 0,cr t� � để tránh tình trạng

báo lỗi khi chạy phần mền Abaqus.

Hình 2.6 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus.

19

Mô hình số đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền

chịu nén.

Ứng xử đường cong ứng suất – biến được cho bê tông được thiết lập

theo phương pháp số được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994). Trong mô hình

này có thể được sử dụng phát triển quan hệ ứng suất - biến dạng đến cường

độ nén 1 trục phá hủy đến 0.3 cu�� . Mô hình tính toán này có thể tính toán

cho cường độ chịu nén bê tông cấp độ khoảng 60MPa. Đường cong quan hê

ứng suất – biến dạng Hsu – Hsu minh họa qua hình 2.7.

Hình 2.7 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu.

Trong hình 2.7, cường độ chịu nén cực hạn tại � 0c� và � 0� và biến

dạng tương ứng � d� thì � 00.3 t�� . Miền đàn hồi nằm trong khoảng 50%

cường độ chịu nén cực hạn. Mô hình phương pháp sô Hsu – Hsu tính toán

cường độ chịu nén từ � 00.5 c�� đến � 00.3 c�� . Đường cong ứng suất – biến

dạng theo Hsu – Hsu thỏa mản phương trình (5)

20

0

0

..

1

c

c cuc

� ��

� �

� ��

(5)

Trong đó: Hệ số

0 0

1

1 .cu

E

�

�

��

- hệ số phụ thuộc vào hình

dạng đường cong ứng suất - biến dạng.

5 30 8.9 10 . 2.114 10cu� �� .

2 30 1.2431 10 . 3.28312 10cuE �� - hệ sô Modul

đàn hồi.

d� - được xác định tại vị trí ứng suất � 00.3 c��

được tính toán thông dựa vào 0.8c cu� ��

2.5.2.2. Mô hình Hognestad.

Tương tự như mô hình Hsu-Hsu, mô hình Hognestad được phát triển

bởi E.Hognestad [7] dùng để mô tả tính chất phi tuyến của bê tông dựa trên

mô hình phá hoại dẻo. Mô hình cũng dựa trên cường độ chịu kéo và chịu nén

dọc trục thiết lập đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng của miền chịu

kéo và miền chịu nén để mô tả tính chất bê tông khi làm việc.

Mô hình ứng xử chịu nén của bê tông.

Ứng xử đường cong ứng suất – biến dạng vùng chịu nén bê tông được

thiết lập theo phương pháp số được phát triển bởi E. Hognestad [7] được biểu

diển bằng hình 2.8.

21

Hình 2.8 – Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén

Hognestad.

Trong hình 2.8, Các hệ số được tính toán bằng các công thức sau:

2

00

00

0

. 2. ,

. 1 0.015 ,

inc c

c

plc c u

u

f

f

� ��

� ��

� � ��

� � � � ��

(6)

Trong đó: cf - cường độ chịu nén cực hạn bê tông.

0� - biến dạng tại giá trị cường độ chịu nén cực hạn.

u� - biến dạng cực hạn bê tông.

Mô hình ứng xử chịu kéo của bê tông.

Trong phương pháp số được phát triển E. Hognestad [7] thì quan hệ

đường cong ứng suất – biến dạng miền chịu kéo có dạng hình 2.9 và được

thiết lập bởi công thức sau:

22

6

1.7

. 1.2 0.2 ,

. ,. 1

int t t

t t

pl tc t t

tt t

f

f

� ��

��

��

� � ��

� ��

(7)

Trong đó: tf - cường độ chịu kéo bê tông.

t� - biến dạng kéo cực hạn bê tông.

t� - hệ số điều chỉnh đường cong ( t� = 1�2).

Hình 2.9 – Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo

Hognestad.

2.5. Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng.

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn

giai đoạn (Hình 2.10): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm

(DE).

23

Hình 2.10 – Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép.

Tuy vậy, trong tính toán cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng,

giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua. Trong kết cấu BTCT cốt thép

có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của

cốt thép. Để thuận tiện trong tính toán, mô hình vật liệu của cốt thép được sử

dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.

Hiện nay có hai quan niệm về mô hình thép theo quan hệ ứng suất –

biến dạng một chiều: Mô hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mô hình thép cải tiến

đàn dẻo lý tưởng.

2.5.1. Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL).

Mô hình vậu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên

đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.11.

Đường cong này được xác định dựa vào các thông số của thép: Modul đàn hồi

thép sE , và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn của thép yf .

24

Hình 2.11 – Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL).

2.5.2. Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL).

Ứng xử của cấu kiện chịu uốn bị ảnh hưởng lớn khi cốt thép chảy. Do

quá trình chảy của thép làm tăng đột ngột biến dạng của kết cấu nên điều

kiện hội tụ khó được đảm bảo trong quá trình tính toán. Vì vậy, sử dụng mô

hình đàn dẻo sẽ đảm bảo được sự hội tụ cho tới khi cấu kiện đạt cường độ

tới hạn. Giả thiết về biến dạng hóa cứng tuyến tính ngay khi cốt thép chảy

không ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả, đồng thời độ dốc của nhánh

hóa cứng cũng được xác định để đảm bảo năng lượng biến dạng của mô hình

bằng với năng lượng biến dạng của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép từ

thực nghiệm. Thực tế, mô hình này đã được áp dụng thành công trong một số

nghiên cứu của các tác giả như ( Ngo và Scordelis [8], Vebo và Ghali [11],

2008). “Trong nghiên cứu này các tác giả chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình

cải tiến mô hình cđàn dẻo của cốt thép chịu lực cho kết quả chính xác hơn với

việc sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng”. Trong nghiên cứu này y� và u� được

sử dụng trong mô hình cho cả cốt thép dọc và cốt thép đai (hình 2.12).

25

Hình 2.12 – Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL.

2.6. Thông số tính toán cho mô hình.

2.6.1. Hệ số modul đàn hồi.

Trong quá trình tính toán các thông số mô phỏng thì modul đàn hồi là

thông số chủ yếu để thiết lập tính toán. Từ thông số modul đàn hồi có thể tính

toán ra đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông. Theo tiêu

chuẩn ACI - 318 hệ số modul đàn hồi phụ thuộc chủ yếu vào cường độ chịu

nén của bê tông. Ta có công thức tính modul đàn hồi của bê tông đá tính toán

theo cường độ chịu nén.

� Đối với bê tông thường (đá)

'15000c cE f� � (8)

Trong đó:

cE - modul đàn hồi của bê tông � 2kg

cm .

'cf - cường độ chịu nén của bê tông (psi).

� Đối với bê tông xỉ

Theo như tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng modul đàn hồi của bê tông xỉ

ngoài việc phụ thuộc cường độ chịu nén, còn phụ thuộc vào khối lượng thể

26

tích khô của xỉ trong thí nghiệm. Theo nghiên cứu “ Ứng xử chịu uốn của

dầm bê tông cốt liệu xỉ thép” ( Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2014) “chỉ ra rằng,

nếu sử dụng công thức tính modul đàn hồi cho bê tông nặng (9) để tính toán

cho xỉ (do trọng lượng riêng xỉ lớn hơn 2500kg/cm2 nên xem xỉ là bê tông

nặng) thì kết quả sai lệch nhiều”.1.50.043 wc cE f� � � (9)

Trong đó:


cm .

w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng w 2500� 2kg

cm

'cf - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).

Sau khi tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng qua nhiều lần thí nghiệm nén

mẫu để đo được modul đàn hồi cho bê tông xỉ. Tác giả thấy rằng modul đàn

hồi trong thí nghiệm lớn hơn so với công thức (9) một lượng sai lệch hằng số.

Từ đó tác giả đã đề xuất công thức sửa đổi từ công thức tính toán Modul cho

bê tông nặng cho tính toán modul bê tông xỉ như sau (10).

1.50.043 wc cE f� � � + 7291.65 (10)

Trong đó:


cm .

w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng w 2500� 2kg

cm

'cf - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng công thức (10) để tính toán

modul đàn hồi của bê tông xỉ.

27

2.6.2. Hệ số poission.

Tương tự như hệ số modul đàn hồi, hệ số poission là một trong những

thông số quan trọng để thể hiện tính chất vật liệu bê tông trong mô phỏng. Từ

lâu hệ số poission của bê tông thường đã được nghiên cứu nhiều nhưng đối

với bê tông xỉ thì còn rất ít. Theo nghiên cứu “ Ứng xử chịu uốn của dầm bê

tông cốt liệu xỉ thép” (Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2015) “ Trong nghiên cứu

này cũng chỉ ra rằng hệ số poission của bê tông xỉ bằng phương pháp thực

nghiệm mẫu nén 15x15. Tác giả đã tiến hành thí nghiệm với nhiều mẫu bê

tông xỉ bằng trang thiết bị đo hệ số poission tại phòng thí nghiệm vật liệu của

trường đại học sư phạm kỹ thuật. Tác giả kết luận rằng: Giá trị hệ số poission

của bê tông xỉ thu được từ thí nghiệm dao động trong khoảng từ 0.1 - 0.2 gần

tương tự như bê tông đá (truyền thống). Trong phần luận văn này, chúng tôi

cũng sử dụng hệ số poission được kết luận từ bài báo này”.

2.6.3. Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh).

Việc chia phần tử ảnh hưởng rất nhiều đến sự hội tụ cũng như là kết

quả phân tích tính toán trong mô phỏng. Do đó, việc lực chọn độ mịn đủ nhỏ

khi chia lưới là rất cần thiết để đảm bảo sự thay đổi kích thước phần tử là

không ảnh hưởng nhiều đến kết quả mô phỏng tính toán. Hiện nay, chưa có

nghiên cứu đề xuất một tỉ lệ hợp lý vừa giảm được sai số trong quá trình tính

toán vừa đáp ứng được cấu hình máy tính thực hiện mô phỏng. Trong phần

luận văn này đưa ra một số giá trị chia phần tử vào khảo sát sự chính xác từng

tỉ lệ chia. Từ đó, đề xuất một tỉ lệ chia hợp lý cho thí nghiệm dầm chịu uốn ba

điểm.

2.6.4. Thông số mô hình phá hoại dẻo.

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng mô hình phá hoại dẻo để mô

phỏng tính toán cho dầm. Vì vậy, khi khai báo các thông số tính toán phần

28

mền Abaqus yêu cấu các thông số dẻo cho mô hình: Thông số trình bày ở

bảng 2.1 là thông số được đề xuất từ phần mền Abaqus.

Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo.

cK � 0 0b c� � !

0,667 0,1 1,16 300 0,00005

2.6.5. Loại phần tử trong mô phỏng.

Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần

mền Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3

chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường và bê

tông xỉ trong mô phỏng tính toán.

Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối,

dạng dầm hoặc dạng thanh. Việc sử dụng mô hình phần tử dạng khối không

được chọn trong nghiên cứu này do nó làm tăng khối lượng tính toán và có

thể máy tính không thể xử lý được. Hơn nửa, thanh cốt thép có độ uốn ngoài

trục khá thanh khá nhỏ, vì vậy phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô

phỏng cốt thép chịu lực. Trong nghiên cứu này lực chọn phần tử dạng thanh

T3D2 để mô phỏng cốt thép. Cụ thể hơn, lựa chọn phần tử dây (wire) trong

Abaqus để mô phỏng cho cốt thép chịu lực. Các thanh thép này được nhúng

vào trong bê tông, tăng độ cứng kết cấu với giả thiết bám dính bề mặc bê tông

cốt thép là tuyệt đối. Số liệu đầu vào của dạng phần tử này là diện tích mặt cắt

ngang và không cần định nghĩa cụ thể tiết diện hình học của mặt cắt.

2.6.6. Mô hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực.

Hiện tượng vết nứt trong cấu kiện dầm bê tông cốt thép và hiện trượt

giữa bê tông và cốt thép chịu lực, là nguồn gốc chính cho sự phát triển phi

tuyến của vật liệu bê tông cốt thép (tương tự đối với vật liệu bê tông xỉ cốt

thép). Trong giai đoạn này vật liệu ứng xử hoàn toàn khác so với giai đoạn

29

đàn hồi, và cần có mô hình riêng cho hai hiện tượng này. Trong đó, Mô hình

bám dính giữa vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực được mô tả như hình:

Hình 2.13 – Mô hình bám dính của 2 loại vật liệu.

Trong nghiên cứu này, do hạn chế và điều kiện thí nghiệm để xác định

mô hình bám dính của hai loại vật liệu bê tông và cốt thép. Vì vậy, Đề tài

nghiên cứu này chỉ nghiên cứu với giả thuyết bám dính giữa bê tông và cốt

thép là tuyệt đối. Với giới hạn nghiên cứu đề tài này, sẽ có mức độ sai số khi

mô phỏng với giả thuyết trên.

2.7. Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus.

Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mền lớn dùng để mô

phong công trình,kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi

giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến

vấn dề môn phỏng phi tuyến phúc tạp. ABAQUS có kho phần tử phong

phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho mô hình vật liệu

có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao

gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt

thép,…. ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu

(ứng suất, chuyển vị), có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong

lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ

học môi trường điện áp.

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và

30

ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc

biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete

ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử

lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng

lưới…. ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và sử lý kết quả.

31

Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM

3.1. Các tính toán nén mẫu để lấy thông số đầu vào cho mô hình.

3.1.1. Cấp phối bê tông sử dụng trong thí nghiệm.

Cấp phối trong đề tài này, sử dụng cấp phối từ thí nghiệm đề xuất của

tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng (2014) [8] cho bê tông thường và bê tông xỉ.

Cấp phối này sử dụng cho bê tông thường đạt cường độ chịu nén khoảng

30MPa và đối với bê tông xỉ đạt cường độ chịu nén khoảng 40MPa.

Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ.Xi măng

(Kg)

Cát

(Kg)

Xỉ thép

(Kg)

Nước

(l)N/XM

Phụ Gia

(ml)

411,7 687,1 1431,3 190 0,46 4,1

Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường.Xi măng

(Kg)

Cát

(Kg)

Đá

(Kg)

Nước

(l)N/XM

Phụ Gia

(ml)

411,7 687,1 1173,3 190 0,46 4,1

3.1.2. Kết quả nén cường độ.

Cường độ chịu nén của mẫu khối lập phương trong thí nghiệm dầm mô

phỏng được trình bày ở bảng 3.2. Trong thí nghiệm nén mẫu để xác định

cường độ chịu nén chúng tôi sử dụng mẫu lập phương 150x150x150mm, để

chuyển sang mẫu trụ 150x300mm để đưa thông số vào mô phỏng, sử dụng

công thức chuyển đổi (11).

32

1,2cu

cy cc

ff � (11)

Trong đó:

+ cycf - cường độ chịu nén mẫu trục 150x300mm (MPa)

+ cucf - cường độ chịu nén mẫu lập phương 150x150x150mm

Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ.

Loại mẫu cf

(MPa)

Bê Tông Thường 27,02

Bê tông Xỉ 40,86

3.2. Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm.

3.2.1. Mục đích thí nghiệm.

Thí nghiệm với mụthuyeest nâng cao tính ổn định và khả năng chịu lực

cho các kết cấu bê tông hiện đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam. Thí

nghiệm trình bày một số kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu thí

nghiệm dầm bê tông kích thước lớn, các quan sát, đánh giá tập trung vào quan

hệ lực và độ võng, lực và biến dạng của dầm bê tông có và không có xỉ thép

tham gia, so sánh chúng với nhau nhằm tìm ra các ưu, nhược điểm của cốt

liệu xỉ so với các cốt liệu truyền thống .

3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm.

Các bộ dụng cụ thí nghiệm đòi hỏi phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế,

độ chính xác cao, dễ lắp ráp, sử dụng.

33

3.2.2.1. Cảm biến đo biến dạng lá Strain Gage (cảm biến điện trở dây).

Strain gage dùng để đo biến dạng của bề mặt cấu kiện. Strain gage lá

điện trở đo biến dạng là loại cảm biến có cấu tạo rất mỏng, có thể gọi với

nhiều tên khác nhau như: strain gage, cảm biến điện trở dây, cảm biến điện

trở biến dạng, cảm biến lá đo, cảm biến sức căng.

Hình 3.1: Strain gauge.

Strain gages được dán lên các kết cấu cần quan trắc. Thiết bị đo kích

hoạt và đo tần số rung của dây căng trong strain gages, qua đó tính toán được

mức độ thay đổi biến dạng so với trạng thái ban đầu. Trong thí nghiệm này, ta

dùng Strain Gauge cho vị trí giữa dầm.

3.2.2.2. Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement

Transducer).

Cảm biến LVDT dùng để đo độ võng của khối cấu kiện dưới tác động

của tải trọng tĩnh hay động. Để thu được kết quả chính xác và tốt nhất, đầu

tiên là phải xác định chính xác mặt phẳng chuẩn để làm điểm tựa. Điểm tựa

chuẩn này không di chuyển, xem như cứng tuyệt đối, gắn một đầu của cảm

biến lên kết cấu và đầu kia lên điểm tựa này. Dưới tác động của tải trọng thì

có sự thay đổi vị trí của cấu kiện kết cấu với điểm tựa này, đây chính là độ

võng ta cần đo.

34

Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị.

Trong thí nghiệm này ta dùng 2 LVDT cho 2 vị trí cách điểm giữa dầm

ra 2 bên một khoảng cách 75 cm và 2 LVDT cho vị trí giữa dầm.

3.2.2.3. Máy uốn cấu kiện

Nhằm kiểm tra khả năng chịu lực thực tế (proof test) của cấu kiện. Thí

nghiệm cùng máy uốn dầm với tải trọng tĩnh thường được lựa chọn để kiểm

tra khả năng làm việc của cấu kiện ở giai đoạn phục vụ (Servicebility limit

state-SLS) và khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate limit state-ULS).

Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện.

35

3.2.2.4. Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger)

Được sử dụng với tất cả các cảm biến dây rung. Khi đọc các lực tải,

chuyển vị hay biến dạng, máy tích hợp đa tự động quét qua tất cả các cảm

biến dây rung, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và bù đắp, và hiển thị các tải trực tiếp

trong đơn vị kỹ thuật. Tất cả các kết quả đọc có thể được lưu trữ và xuất sang

một số định dạng tập tin khác nhau.

Hình 3.4: Máy ghi số liệu thực nghiệm.

Trong thí nghiệm này, máy data logger sẽ thu thập các thông số của các

biến dạng ở giữa dầm, tải trọng tác dụng và các chuyển vị giữa và ¼ dầm bê

tông cốt thép có xỉ thay thế cốt liệu thô.

3.2.3. Công tác chuẩn bị.

Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm cũng được chuẩn bị để cân đo, pha chế

theo tỷ lệ cho trước.

Gia công cốt thép, ván khuôn dầm theo kích thước định sẵn: Cốt thép

được gia công được đảm bảo chiều dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 25mm.

Khuôn được lau sạch, bôi một lớp dầu mỏng vào mặt trong khuôn.

36

Hình 3.5: Gia công cốt thép và ván khuôn.

3.2.4. Trình tự thí nghiệm

Sau khi định lượng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm, tiến

hành công tác trộn bê tông.

Tiến hành kiểm tra độ sụt trước khi đúc mẫu. Sau đó, đổ hỗn hợp bê

tông tươi vào khuôn và tiến hành đầm dùi để bê tông có thể lắp đầy vào ván

khuôn tránh tình trạng rỗ bề mặt dầm.

Hình 3.6: Quá trình trộn bê tông.

37

Hình 3.7: Công tác đầm dùi.

Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nước xi măng chảy đều

tránh rổ mặt khi tháo khuôn. Dùng bay xoa phẳng mặt khuôn. Ghi nhãn (hạng

mục, ký hiệu mẫu, ngày đúc, mác, người đúc) và đem dưỡng hộ. Mẫu sau khi

dưỡng hộ đủ ngày sẽ làm thí nghiệm nén, mặt chịu nén phải là mặt tiếp xúc

với thành khuôn.

Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm.

3.2.5. Kiểm tra mẫu thử

Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phòng thí

nghiệm của Trường ĐHSPKT.

Dầm được đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị

đo biến dạng và chuyển vị được gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.

38

Dầm bê tông kích thước 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu

dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.

Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm [16].

Cốt thép chịu kéo sử dụng thép phi 14 có diện tích tiết diện ngang As =

153,9 2mm . Cốt thép chịu nén sử dụng thép phi 12 có diện tích tiết diện ngang

As = 113,1 2mm . Cốt thép đai chịu cắt phi 6 a100 mm có As = 2,3 2mm .

Hình 3.10: Thiết kế dầm tính toán [16].

Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT [16].

39

3.3. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ.

3.3.1. Chuyển vị giữa dầm.

Từ kết quả thực nghiệm của dầm bê tông thường và bê tông xỉ, ta thu

được kết quả sau:

Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông thường.

Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông xỉ.

3.3.2. Biến dạng giữa dầm.

Kết quả thu được từ Strain gauge được gắn ở giữa dầm.

40


thường.

Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông xỉ.

3.3.3. Biến dạng tại ¼ dầm.

Kết quả thu được từ Strain gauge được gắn ở 1/4 dầm.

41

Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông thường.

Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tông xỉ.

42

Chương 4: THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN ABAQUS

4.1. Thông số tính toán cho mô hình.

4.1.1. Mô hình vật liệu bê tông.

Từ kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén chương 3 và công thức tính toán

các thông số của mô hình vật liệu bê tông ở chương 2. Các thông số tính toán

đặc trưng của bê tông như: modul đàn hồi cE , hệ số poission c" , cường độ

chịu kéo cf , cường độ chịu nén tf được tính toán trình bày ở bảng 4.1 cho

hai dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê tông xỉ (SRCB).

Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ.

Bê tông thường

cE

(MPa)c"

cf

(MPa)

tf

(MPa)

40,4 0,2 40,86 3,97

Bê tông xỉ

cE

(MPa)c"

cf

(MPa)

tf

(MPa)

26,80 0,2 30,31 3,06

Từ thông số đặc trưng vật liệu của bê tông thường và bê tông xỉ, có thể

tính các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông theo hai mô hình số

vật liệu bê tông được phát triển bởi Hsu-Hsu và E. Hognestad.

2.4.2.1 Thông số của mô hình Hsu – Hsu (1994).

Mô hình Hsu-Hsu gồm có hai thông số về đường cong miền chịu nén

và đường cong miền chịu kéo

43

Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu-Hsu.

Mô hình vật liệu bê tông

của RCB


của SRCB

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

1,07E+07 0,00E+00 1,40E+07 0,00E+00

1,74E+07 9,60E-04 2,66E+07 1,05E-03

2,08E+07 1,44E-03 3,51E+07 1,58E-03

2,22E+07 1,19E-03 3,96E+07 2,11E-03

2,25E+07 2,40E-03 4,08E+07 2,64E-03

2,24E+07 2,60E-03 4,07E+07 2,81E-03

2,23E+07 2,80E-03 4,04E+07 2,98E-03

2,21E+07 3,06E-03 3,99E+07 3,15E-03

2,19E+07 3,28E-03 3,94E+07 3,33E-03

2,16E+07 3,50E-03 3,88E+07 3,50E-03

44

Bảng 4.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu.


của RCB

Mô hình vật liệu bê tông của

SRCB

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

2,64E+06 0,00E+00 3,55E+06 0,00E+00

2,03E+06 1,11E-03 2,74E+06 1,84E-03

1,19E+06 3,54E-03 1,60E+06 5,89E-03

2,64E+05 7,70E-03 3,55E+05 1,28E-03

2.4.2.2 Thông số của mô hình E. Hognestad (1951).

Mô hình E. Hognestad gồm có hai thông số về đường cong miền chịu

nén và đường cong miền chịu kéo

Bảng 4.4: Thông số miền chịu nén của mô hình E. Hognestad. Mô hình vật liệu bê tông

của RCB

Mô hình vật liệu bê tông của

SRCB

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

1,62E+07 0,00E+00 2,45E+07 0,00E+00

1,73E+07 8,00E-04 2,61E+07 8,00E-04

2,27E+07 1,20E-03 3,43E+07 1,20E-03

2,59E+07 1,60E-03 3,92E+07 1,60E-03

2,70E+07 2,00E-03 4,08E+07 2,00E-03

45

2,65E+07 2,20E-03 4,01E+07 2,20E-03

2,61E+07 2,40E-03 3,94E+07 2,40E-03

2,57E+07 2,60E-03 3,87E+07 2,60E-03

2,52E+07 2,80E-03 3,81E+07 2,80E-03

2,47E+07 3,00E-03 3,74E+07 3,00E-03

2,43E+07 3,20E-03 3,67E+07 3,20E-03

2,37E+07 3,40E-03 3,60E+07 3,40E-03

2,34E+07 3,60E-03 3,54E+07 3,60E-03

2,29E+07 3,80E-03 3,47E+07 3,80E-03

Bảng 4.5: Thông số miền chịu kéo của mô hình E. Hognestad. Mô hình vật liệu bê tông

của RCB


của SRCB

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

Ứng suất

( c� )

Biến dạng

( c� )

1,90E+06 0,00E+00 2,34E+06 0,00E+00

2,53E+06 4,90E-05 3,11E+06 4,90E-05

3,24E+06 7,63E-05 3,98E+06 7,63E-05

3,23E+05 2,15E-04 3,977E+05 2,15E-04

3,22E+06 3,57E-04 3,976E+06 3,57E-04

3,21E+06 4,80E-04 3,974E+06 4,80E-04

3,20E+06 6,41E-04 3,971E+06 6,41E-04

46

4.1.2. Mô hình vật liệu thép.

Các thông số tính toán đặc trưng của thép trong đề tài này sử dụng loại

thép AIII như: modul đàn hồi sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf ,

cường độ chịu kéo cực hạn uf được trình bày ở bảng 4.6.

Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép.

sE

(MPa)s"

yf

(MPa)

uf

(MPa)

210 0,3 365 440

Từ thông số đặc trưng cốt thép trong bảng 4.6 , Chúng ta có thể tính

toán các thông số tính toán đưa vào mô hình. Có hai loại mô hình trong mô tả

vật liệu cốt thép trong đề tài này là: mô hình SEPL và mô hình IEPL.

4.1.2.1. Thông số mô hình SEPL.

Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng

đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông qua các thông số: modul đàn hồi

sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf .

Bảng 4.7: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL.

sE

(MPa)s"

yf

(MPa)

210 0,3 365

4.1.2.2. Thông số mô hình IEPL.

Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng

đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông tương tự với mô hình SEPL qua

47

các thông số: modul đàn hồi sE , hệ số poission s" , cường độ chịu kéo yf ,

cường độ chịu kéo cực hạn uf , biến dạng chịu kéo cực hạn u� .

Bảng 4.8: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL.

sE

(MPa)s"

yf

(MPa)

uf

(MPa)u�

210 0,3 365 440 0,002

4.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử.

4.1.3.1. Loại phần tử mô phỏng.

Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần

mền Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình. Phần tử C3D8R là dạng khối 3

chiều, 8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường và bê

tông xỉ trong mô phỏng tính toán.

Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối,

dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2.

Bảng 4.9: Loại phần tử mô phỏng dầm. Phần tử mô

phỏngBê tông

Cốt dọc chịu

kéo

Cốt dọc chịu

nénCốt đai Đệm thép

Loại phần tử C3D8R T3D2 T3D2 T3D2 C3D8R

4.1.3.2.Tỉ lệ chia phần tử.

Tỉ lệ chia phần tử ảnh hưởng nhiều đến tính hội tụ của kết quả và tài

nguyên máy tính đáp ứng. Trong nghiên cứu này, khảo sát nhiều tỉ lệ chia

khác nhau: Mesh 200, Mesh 100, Mesh 80, Mesh 50, Mesh 20. Từ đó, so

sánh các kết từ các tỉ lệ chia này và đề xuất tỉ lệ chia hợp lý tối ưu giữa độ

chính xác kết quả và tài nguyên máy tính đáp ứng để giải bài toán.

48

4.1.3.3. Thông số mô hình phá hoại dẻo.

Trong mô phỏng theo mô hình phá hoại dẻo ngoài các thông số để mô

tả tính chất vật liệu bê tông, vật liệu cốt thép. Mô hình cần phải có thông số

dẻo thông số này được trình bày ở sau:

Bảng 4.10: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình.

cK � 0 0b c� � !

0,667 0,1 1,16 300 0,00005

Trong đó:

+ Kc – Tỉ số cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cường

độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc.

+ � - Hệ số lệch tâm vật liệu.

+ 0 0b c� � - Hệ số giữa cường độ chịu nén 1 trục với cường độ chịu nén

2 trục.

+ - góc phá hủy.

+ ! - Độ nhớt

4.1.3.4. Nhận xét về thông số đầu vào.

Những thông số đầu vào cho mô hình phá hoại dẻo trình bày trên.

Những thông số này thu được từ việc thí nghiệm 8 mẫu dầm bê tông cốt thép

thường và bê tông xỉ cốt thép. Do mẫu thí nghiệm không nhiều, vì thế mức độ

chính xác mô hình mô phỏng tương đối. Những thông số mô hình phá hoại

chỉ sử dụng tham khảo (để xuất riêng của hướng dẫn Abaqus). Nên kết quả

mô phỏng dầm sẽ có sai số nhất định (không hoàn toàn chính xác).

4.2. Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS.

4.2.1. Xây dựng cấu kiện.

Việc xây dựng các cấu kiện, từ modul trên thanh trong môi trường làm

việc của phần mền Abaqus và lựa chọn công năng Part trên thanh modul.

49

4.2.1.1. Cấu kiện dầm bê tông.

Xây dựng cấu kiện

Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) . Sau đó

xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 4.1. Trong của số này Name (đặt tên

cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần

tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử

dụng dạng Solid, loại Extrusion, sắp xỉ phần tử 3).

Hình 4.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus.

Vẽ hình hai chiều.

Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng

(Create lines connected) trên vùng thanh công cụ, ở vùng thông báo hiển thị

“Pick a starting point for line or enter X Y” (chọn điểm bắt đầu của đường

thẳng hoặc nhập tọa độ X Y), màn hình đồ họa xuất hiện điểm bắt đầu của

đường thẳng, vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Pick an end point for line or

enter X Y” (chọn điểm kết thúc của đường thẳng hoặc nhập tọa độ), trong

màn hình xuất hiện một đường thẳng liên tục. Vùng thông báo tiếp tục hiển

thị lựa chọn điểm cuối của đường thẳng, lần lượt nhập tọa độ vị trí các điểm

đến khi hoàn thành mặt cắt dọc dầm như hình 4.2. Cuối cùng nhấn Esc trên

bàn phím để kết thúc lệnh vẽ.

50

Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.

Sau khi thiết lập được mô hình hình học hai chiều cấu kiện. Sử dụng

lệnh Add Dimension trên vùng công cụ tiến hành đo kiểm tra kích

thước dầm như hình 4.3.

Hình 4.3: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.

Cuối cùng, sử lệnh Save Model Database trên thanh công cụ để

lưu mặt cắt vừa thiếp lập.

Vẽ hình ba chiều.

Sau khi hoàn thành vẽ mặt cắt dọc dầm, vùng thông báo hiển thị như

hình 4.4, nhấn nút Done xuất hiện của sổ Edit Base Extrusion (thiếp lập Depth

chiều cao của dầm), sau đó nhấn OKE để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ. Mô

hình dầm bê tông sau khi hoàn thành như hình 4.5.

Hình 4.4: Cửa số Edit Base Extrusion.

51

Hình 4.5: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông.

4.2.1.2. Cấu kiện tấm đệm thép.


Cấu kiện tấm thép đệm ở gối và tấm thép đệm lực khởi tạo tương tự

như đối với cấu kiệm dầm bê tông.

Vẽ hình hai chiều

Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều tương tự như đối với dầm bê

tông . Sau khi khởi tạo thành công xuất hiện như hình 4.6.

Hình 4.6: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép.

Vẽ hình ba chiều

Việc khởi tạo cấu kiện ba chiều của cấu kiện đệm thép tương tự đối với

cấu kiện dầm bê tông. Sau khi khởi tạo thành công xuất hiện hình 4.7.

52

Hình 4.7: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép.

4.2.1.3. Cấu kiện cốt thép đai.


Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part). Sau

đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 15. Trong của số này Name (đặt tên

cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần

tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử

dụng dạng Wire, loại Planar).

Vẽ hình hai chiều

Sau khi khởi động giao diện vẽ đồ họa hai chiều. Các bước thực hiện

tương tự đối với cấu kiện dầm. Sau khi khởi tạo hình vẽ hai chiều tiến hành

đo kích thước kiểm tra như hình 4.8.

Hình 4.8: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai.

53


Sau khi hoàn thành khởi tạo mô hình hai chiều. Nhấn nút Done trên

vùng thông báo, mô hình ba chiều vòng thép đai sau khi hoàn thành cho như

hình 4.9.

Hình 4.9: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai.

4.2.1.4. Cấu kiện cốt thép dọc.


Khởi tạo xây dựng cấu kiện cốt thép dọc tương tự như đối với cốt thép

đai.

Vẽ hình hai chiều.

Sau khi hoàn thành các bước khởi tạo đối tượng. Việc vẽ hình hai chiều

cho cấu kiện cốt thép dọc tương tự phần cốt thép đai. Hoàn thành việc vẽ hình

hai chiều cho cốt thép dọc thể hiện như hình 4.10.

Hình 4.10: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc.


Sau khi hoàn thành khởi tạo mô hình hai chiều. Nhấn nút Done trên

vùng thông báo, mô hình ba chiều vòng thép đai sau khi hoàn thành cho như

hình 4.11.

54

Hình 4.11: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc.

4.2.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt.

Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt

4.2.2.1. Định nghĩa vật liệu.

Vật liệu bê tông.

Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit

Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General –

Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng bê

tông). Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data

nhập các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của bê tông. Tiếp tục lựa

chọn Mechanical – Concrete Damaged Plasticity, trong mục Plasticity nhập

thông số mô hình dẻo trình bày phần 4.1.3.3, trong mục Compressive

Behavior nhập giá trị đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tông

chịu nén như hình 4.12, tương tự trong mục Tensile Behavior nhập giá trị

đường cong hệ ứng suất – biến dạng của miền bê tông chịu kéo như hình 4.12.

Cuối cùng chọn OKE hoàn thành thiếp lập thông số cho vật liệu bê tông.

55

Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông.

Vật liệu cốt thép chịu lực.

Trên vùng công cụ sử dụng (Create Material). Xuất hiện cửa sổ Edit

Material, trong hộp thoại này Name (tên cấu kiện). Tiếp tục nhấn General –

Density, trong cửa số này nhập giá trị Mass Density (khối lượng riêng thép).

Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập

các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của thép. Tiếp tục lựa chọn

Mechanical – Plasticity - Plastic, trong mục Plasticity nhập thông số mô hình

dẻo trình bày phần 4.1.3.3, trong mục này nhập các thông số đường cong hệ

ứng suất - biến dạng của cốt thép. Kết thúc nhấn OKE hoàn thành của số Edit

Material.

Vật liệu thép đệm lực.

Thiết lập vật liệu cho thép đệm lực tương tự như đối với cốt thép chịu

lực, nhưng thay đổi thông số vật liệu của thép đệm.

56

4.2.2.2. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt.

Bê tông

Để định nghĩa thuộc tính mặt cắt tiết diện sử dụng cụ Create Section

trên vùng công cụ, xuất hiện cửa số Create Section như hình 4.13. Trong hộp

thoại này Name (tên tiết diện mặt cắt ngang), Category (đối tượng mô phỏng

trong trường hợp này sử dụng đối tượng Solid), Type (tính chất mặt cắt sử

dụng Homogeneous), sau đó nhấn Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Section

như hình 4.14 sau đó chọn thêm Material ( vật liệu cho mặt cắt), các lựa chọn

khác sử dụng mặc định sau đó nhấn OKE, hoàn thành định nghĩa các thuộc

tính mặt cắt như hình 4.14. Định nghĩa tương tự cho tấm đệm thép.

Hình 4.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông.

Cốt thép

Nhấn chọn biểu tượng (Create Section) trên vùng thanh công cụ, xuất

hiện cửa sổ Create Section trong cửa sổ này: Name (tên thuộc tính mặt cắt),

Category (loại đối tượng beam), Type (loại phần tử Truss), các thông số khác

chọn mặc định, nhấn chọn Continue, xuất hiện cửa sổ như hình 4.14, Material

(vật liệu lựa chon đúng vật liệu cho cốt thép), Cross-Sectional area ( diện tích

mặt cắt ngang). Chọn oke để hoàn thành định nghĩa thuộc tính mặt cắt ngang

cho cốt thép. Định nghĩa tương tự cho cốt thép đai.

57

Hình 4.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép.

4.2.2.3. Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện.

Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện sử dụng Assign Section trên vùng

thanh công cụ, vùng thông báo hiển thị như hình 4.15, chọn đối tượng cần gán

tiết diện trong vùng đồ họa, nhấn Done, xuất hiện cửa sổ Edit Section

Assignment như hình 4.16. Trong mục Section (lựa chọn loại tiết diện), sau

đó nhấn OKE, hoàn thành định nghĩa gán thuộc tính. Sử dụng tương tự đối

với các cấu kiện Bê tông, cốt thép chịu lực, thép đệm.

Hình 4.15: Lựa đối tượng gán mặt cắt.

Hình 4.16: Cửa sổ Edit Section Assignment.

58

4.2.3. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện.

4.2.3.1. Dầm bê tông.

Từ modul trên thanh môi trường, lực chọn công năng Assembly. Sử

dụng Instance Part trên vùng thanh công cụ, xuất hiện cửa sổ Create Instance

như hình 4.17, trong hợp thoại này Part ( đối tượng đưa ra lắp ghép), Instance

Type (loại đối tượng cần lắp ghép). Nhấn oke để hoàn thành lắp ghép đối

tượng.

Hình 4.17: Cửa sổ Create Instance.

4.2.3.2. Đệm thép.

Để thêm đối tượng vào vùng lắp ghép thiết lập tương tự như đối với

dầm bê tông. Sau thêm vào vùng làm việc. Sử dụng Translate Instance để di

chuyển đệm thép đúng vào vị trí mô phỏng. Sau khi hoàn tất nhấn Done được

như hình 4.18.

59

Hình 4.18: Cửa sổ sau khi hoàn thành việc lắp ghép bê tông và đệm thép.

4.2.3.3. Cốt thép chịu lực.

Sử dụng công cụ Instance Part trên vùng thanh công cụ, xuất hiện cửa

số Create Instance như hình 4.17, Part (phần cấu kiện lắp ghép), Instance

Type (loại lắp ghép đối tượng). Sử dụng phương pháp này cho Cốt thép chịu

lực và cốt đai. Tiếp theo đó vào View – Assembly Display Option, xuất hiện

cửa sổ Assembly Display Option trong cửa sổ này cần hiện đối tượng nào cần

hiệu chỉ thì đánh đấu vào đối tượng đó (sử dụng công cụ này để dàng lắp ghép

chính xác từng đối tượng tránh tình trạng các đối tượng bị che khuất khó thao

tác). Sau khi tiến hành thêm đủ đối tượng cần lắp ghép vào vùng hoạt động.

Để thuận tiện việc theo tác tiến hành, sử dụng công cụ nhóm để nhóm các

thành phần khung thép chịu lực (cốt đai và cốt chịu lực) thành một cấu kiện

mới để dể dàng theo tác trong quá trình thao tác. Cuối cùng tiến hành di

chuyển nhóm cốt thép vào vị trí chính xác trong dầm bê tông kết quả thu được

cuối cùng như hình 4.19.

60

Hình 4.19: Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng.

4.2.4. Định nghĩa ràng buộc.

Từ modul trên thanh môi trường, lựa chọn công năng Interation để tiến

hành định nghĩa quan hệ ràng buộc giữa mô hình. Để thuận tiện cho việc định

nghĩa ràng buộc bê tông và các tấm đệm, sử dụng lệnh Partition Cell để tiến

hành chia các đối tượng thành khối như hình 4.20.

Hình 4.20: Mô hình sau khi chia khối các đối tượng.

4.2.4.1. Gàn buộc giữa cốt thép chịu lực và bê tông.

Sử dụng chức năng Create Contraint trên thanh công cụ, xuất hiện cửa

sổ Create Contraint trong của sổ này Name (tên loại ràng buộc), Type (loại

ràng buộc do cốt thép chịu lực và cốt đi theo loại nhúng nên sử dụng

Embedded), tiếp theo nhấn Continue, vùng thông báo hiển thị “Select the

61

embedded region”, lựa chọn thép cần ràng buộc, vùng tiếp tục thông báo

“Select the method for host region”, nhấn nút Whole Model (gán toàn bộ đối

tượng) , xuất hiện của sổ Edit Contraint. Sau đó, nhấp OKE để thoát khỏi cửa

sổ Edit Contraint, hoàn thành định nghĩa ràng buộc giữa cốt thép và bê tông

như hình 4.21.

Hình 4.21: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông.

4.2.4.2. Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông.

Mô hình dầm bê tông cốt thép để có thể gán tải trọng lên dầm, cần phải

tạo một điểm đặt lực ảo để gán tải trọng cho dầm. Điểm đó làm điểm tự chọn

và phải các mặt trên lớp đệm thép. Vì vậy, cần gán gàng buộc giữa điểm này

và dầm bê tông cốt thép. Trong trường hợp này, chúng ta sử dụng loại ràn

buộc Coupling.

Để tạo điểm gán tải trọng, sử dụng công cụ Create Reference Point

trong modul Interaction, vùng thông báo sẽ hiện thị “Select point to act as

reference point – or enter X,Y,Z”, ta nhập tọa độ cần thiết. Kết thúc lệnh nhấn

Done. Sau khi hoàn thành hiển thị như hình 4.22.

62

Hình 4.22: Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông.

4.2.4.2. Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông.

Tấm thép đệm ở gối và ở nhịp khi chúng ta tạo chưa có sự liên kết với

dầm. Vì vậy, chúng ta cần tạo sự liên kết giữa tấm thép đệm và dầm bê tông

cốt thép (như bên ngoài thực nghiệm theo phương đứng), để dể dàng tính toán

, giả thiết chúng dính chặt nhau theo phương đứng. Trong trường hợp này sử

dụng loại gàn buộc Tie.

Để gán buộc Tie, sử dụng công cụ Create Constraint trong modul

Interaction, xuất hiện cửa sổ Create Constraint, lựa chọn phương thức Tie,

nhấn Continue. Vùng thông báo tiếp tục hiển thị “Select region for master

type” , tiếp theo nhấn nút Surface vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Select region

for master Surface”, tiến hành đưa chuột chọn vùng tiếp xúc dầm bê tông của

tấm thép, nhấn Done. Vùng hiển thị tiếp tục hiển thị “Choose the slave type”,

nhấn nút Surface, dùng chuột chọn phần tiếp xúc tấm thép của dầm bê tông,

sau đó nhấn Done, xuất hiện cửa sổ Edit Constraint, chấp nhận các mặc định

nhấn OKE. Hoàn thành việc gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông sẽ hiện

thị như hình 4.23.

63

Hình 4.23: Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tông.

4.2.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên.

Từ Modul trên thanh môi trường, lựa chọn công năng Load để định

nghĩa tải trọng và điều kiện biên.

4.2.5.1. Định nghĩa tải trọng.

Trong phần thí nghiệm dầm bê tông trong thực nghiệm, tải trọng tác

dụng trên dầm là tải trọng theo quy luật thời gian. Vì vậy, cần phải tạo quy

luật tải trọng theo thời gian cho dầm khi tá dụng tải

Thiết lập quy luật tải trọng, vào Tool – Amplitudes – Create, xuất hiện

cửa sổ Create Amplitudes, sau đó nhấn Continue, xuất hiện cửa sổ Edit

Amplitudes, tiếp hành nhập quy luật tải theo thời gian, sau đó nhấn OKE hoàn

thành.

Gán tải trọng cho dầm, trong phần này chúng ta tiếp hành gán chuyển

vị cho dầm thay vì gán lực. Vì theo một số nghiên cứu của các tác giả

(Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia, 2011) đề xuất nên sử dụng

phương pháp gán tải trọng cho dầm bằng chuyển vị sẽ cho kết quả hội tu hơn

so với phương pháp gán tải lực. Vì vậy, trong nghiên cứu này chúng ta sử

dụng phương pháp gán tải trọng bằng chuyển vị cho dầm.

Gán tải trọng cho dầm, sử dụng công cụ Create Boundary Condition

trong modul Load. Sau khi nhấn vào công cụ này, xuất hiện cửa số Create

Boundary Condition, trong của sổ này Name (tên tải trọng), Step (bước thiếp

64

lập), Category (loại đối tượng gán), Type for Select Step (cách gán tải trọng

trong phần này chúng ta sử dụng chuyển vị), nhấn Continue. Vùng thông báo

sẽ hiện thị “Select regions for the Boundary Condition”, dùng chuột chọn

điểm đặt lúc mà chúng ta đã tạo phần gàn buộc, sau đó nhấn Done. Xuất hiện

cửa sổ Edit Boundary Condition như hình 4.24. Tiến hành nhập giá trị chuyển

vị thu được từ thí nghiệm nhấn oke để hoàn tất.

Hình 4.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.

4.2.5.2. Định nghĩa điều kiện biên.

Sử dụng công cụ Create Boundary Condition trong modul Load. Trong

phần này thiếp lập tương tự đối với phần định nghĩa tải trọng. Tuy nhiên trong

cửa sổ Edit Boundary Condition, thì chúng ta chọn chuyển vị bằng không

thay vì nhập giá trị như ở phần gán tải trọng.

65

4.2.6. Chia lưới cho cấu kiện dầm.

Chia lưới cho cấu kiện dầm sử dụng công cụ Mesh từ modul trên thanh

môi trường.

4.2.6.1. Thiết lập lưới.

Để thiếp lập lưới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Seed Part. Sau khi

nhấn vào lệnh, xuất hiện cửa sổ Global Seeds như hình 4.25, trong cửa sổ này,

Approximate global size (kích thước chia lưới), tiếp tục nhấn Apply. Sau khi

hoàn thành thiết lập hiển thị như hình 4.26.

Hình 4.25: Cửa sổ Global Seeds.

Hình 4.26: Mô hình thiết lập chia lưới.

66

4.2.6.1. Phân chia lưới cho cấu kiệm dầm.

Phân chia lưới cho cấu kiện dầm, sử dụng công cụ Mesh Part trên thanh

công cụ Mesh. Sau nhấn vào thanh công cụ này, xuất hiện thông báo như hình

4.27. Sau đó chọn đối tượng, nhấn Yes, dựa vào định nghĩa ở phần thiết lập

trên, mô hình sẽ tự động chia đối tượng như đã thiếp lập phần trên. Sau khi

chia lưới hoàn thành xuất hiện như hình 4.28.

Hình 4.27: Thông báo về chia lưới.

Hình 4.28: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê tông.

4.2.7. Thiết lập các bước phân tích.

Thiếp lập các bước phân tích đối với dầm bê tông sử dụng công năng

Step trên thanh modul. Sau khi nhấn vào thanh công cụ trên, xuất hiện cửa sổ

Create Step. Trong cửa sổ này, Name (tên loại phân tích), Procedure type

(loại phân tích), cuối cùng nhấp Continue. Xuất hiện cửa sổ Edit Step như

hình 4.29, trong của sổ này, Time Period (chu kỳ thời gian), sau khi hoàn

thành thiết lập nhấn OKE.

67

Hình 4.29: Cửa sổ Edit Step.

4.2.8. Công tác phân tích.

Từ thanh công cụ modul trên thanh môi trường, lựa chọn chức năng Job

để tiến hành phân tích.

4.2.7.1. Định nghĩa công tác phân tích.

Sử dụng biểu tượng (Create Job) trên thanh công cụ, xuất hiện cửa sổ

như hình 4.30. Trong cửa sổ này, Name (tên công tác phân tích), sau khi đặt

tên công tác phân tích chọn Continue. Phần mền sẽ xuất hiện cửa sổ Edit Job

như hình 4.31, chấp nhận các phân tích nhấn OKE. Hoàn thành các bước định

nghĩa công tác phân tích.

Hình 4.30: Cửa sổ Create Job.

68

Hình 4.31: Cửa sổ Edit Job.

4.2.7.2. Giao diện phân tích.

Từ thanh menu Job trên thanh menu, lựa chọn Manager. Sau khi chọn

xuất hiện cửa sổ Job Manager như hình 4.32. Nhấn Submit có thể thấy dưới

Status trong cửa sổ lần lượt chuyển qua các giai đoạn Submited (giao diện

phân tích), Running (quá trình phân tích), cuối cùng là Completed ( hoàn

thành phân tích). Nhấn Results (phân tích kết quả) phần mền sẽ tự động

chuyển sang modul Visualization.

Hình 4.32: Cửa sổ Job Manager.

69

4.2.9. Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình.

Sau khi hoàn thành các bước thiết lập mô hình như đã trình bày ở phần

trên. Tiến hành kiểm tra mô hình bằng Data Check trong hộp thoại Job

Manager để kiểm tra các sai sót thiếp lập. Để trách một số sai sót trong quá

trình thiết lập, trong phần này đưa ra các chú ý cần trách trong quá trình

thuyết lập để có để chạy được mô hình.

+ Đối với đối tượng dầm bê tông được chia ở công cụ Mesh, nhưng đối

với cốt thép nên chia trong trực tiếp khi xác định đối tượng.

+ Phải kiểm tra tài nguyên máy tính có thể đủ để chạy được mô hình,

trách trường hợp máy không đủ khả năng chạy được.

+ Tất cả đối tượng điều được quản lý phần cây mô hình của phần mền,

tránh trường hợp xóa trực tiếp đối tượng trong môi trường làm việc có thể đối

tượng được xóa như tính chất vẫn còn sẽ ảnh hưởng kết quả mô phỏng và

không chạy được mô phỏng.

70

Chương 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM

MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DẦM

5.1. Hướng nghiên cứu và so sánh.

Sau khi tiến hành thiết lập các bước mô phỏng dầm bê tông trên phần

mền Abaqus, từ những thông số tính chất: bê tông thường, bê tông xỉ, cốt thép

trong dầm. Kết quả xuất ra từ mô hình so sánh với kết quả thu được từ thí

nghiệm thực tế được thí nghiệm tại phòng thí nghiệm Trường đại học Sư

Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Trong phần này, trình bày hai

hướng so sánh chính là:

+ Đánh giá sự chính xác từ sự mô phỏng thông qua các thiết lập thông

số cho phần mền Abaqus . Vì phần mền Abaqus là phần mền mô phỏng dầm

bê tông xỉ tương đối thân thiện và dể dàng thay đổi các thông số tính toán.

Bên cạnh đó, để đạt được kết quả tính toán từ mô phỏng chính xác nhất.

Người sử dụng phần mền Abaqus cần phải quản lý tốt những nhân tố có thể

ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Trong nghiên cứu này thì đưa ra một số tác

nhân có thể ảnh hưởng nhiều đến kết quả như: Mô hình vật liệu, Mô hình

thép, Tỉ lệ chia phần tử dầm khi phân tích ( những tham số này có thể ảnh

hưởng đến kết quả mô phỏng). Sau khi mô phỏng so sánh kết quả từ mô

phỏng kết hợp với thực nghiệm sẽ đề xuất mô hình vật liệu ( bê tông và cốt

thép) và tỉ lệ chia hợp lý nhất, để cho kết quả chính xác nhất.

+ Trong nghiên cứu này đã sử dụng mô hình số vật liệu bê tông thường

để thiếp lập cho bê tông xỉ (vì theo một số nghiên cứu tính chất bê tông

thường và bê tông xỉ gần tương đương nhau). Trong phần này, sẽ đưa ra so

sánh sai số của mô hình mô phỏng và thí nghiệm dầm như: chuyển vị, so sánh

biến dạng giữa dầm, biến dạng 1/4 dầm, ứng suất cốt thép chịu lực cho bê

71

tông thường và đối với bê tông xỉ. Từ đó, kết luận có thể dùng mô hình số vật

liệu bê tông cho mô phỏng bê tông xỉ không, nếu được thì sai số là bao nhiêu.

5.2. Kết quả mô phỏng dầm bê tông thường và bê tông xỉ.

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng dầm RCB.

Hình 5.2: Kết quả mô phỏng dầm SRCB.

5.3. Đánh giá sự chính xác mô hình mô phỏng.

5.3.1. So sánh tỉ lệ chia phần tử .

Tỉ lệ chia phần tử trong quá trình mô phỏng là một trong những nhân

tốt có thể ảnh hưởng rất lớn đến kết quả mô phỏng. Nhưng nếu sử dụng giá trị

chia phần tử quá mịn sẽ làm tăng khối lượng tính toán và tài nguyên máy tính

có thể không đáp ứng được khối lượng quá lớn. Để có thể đưa ra giá trị chia

phần tử hợp lý nhất không ảnh hưởng lớn đến kết quả bài toán cũng tài

nguyên máy tính có thể đáp ứng được khối lượng bài toán. Nghiên cứu này

đưa ra nhiều tỉ lệ chia khác nhau: Mesh sizes 200, Mesh sizes 100, Mesh sizes

80, Mesh sizes 50, Mesh sizes 20 so sánh sự chính xác theo thời gian xử lý

bài toán. Trong quá trình thực hiện mô phỏng cho tỉ lệ chia có đưa ra thời gian

xử lý bài toán cho những tỉ lệ chia, thời gian này chỉ mang tích chất tham

72

khảo do nó phụ thuộc rất lớn vào tốc độ xử lý. Tốc độ xử máy để phân tích

bài toán trong trường hợp này CPU Intel core i7 (3.2GHz).

Bảng 5.1: Kết quả lực và chuyển vị giữa dầm cho nhiều tỉ lệ chia.

d

(mm)

Mesh sizes

200

Mesh sizes

100

Mesh sizes

80

Mesh sizes

50

Mesh sizes

20Test

mP

(kN)

# mP

(kN)

# mP

(kN)

# mP

(kN)

# mP

(kN)

# tP

(kN)

0,01 42,5 0,41 80,1 0,113 74 0,028 69,8 0,031 70,1 0,026 72

0,015 63,2 0,37 93,2 0,075 96,2 0,046 97,8 0,030 98,2 0,026 100,8

0,018 64,4 0,42 100,7 0,086 98,4 0,107 99,1 0,101 99,8 0,094 110,2

0,02 67,5 0,41 114,7 0,003 113,6 0,012 114,2 0,007 114,4 0,005 115

0,025 71,4 0,40 112,9 0,051 115,7 0,028 116,4 0,022 117,2 0,015 119

0,03 73,2 0,39 114,9 0,044 118,6 0,013 119,2 0,008 119,4 0,007 120,2

0,035 42,5 0,41 80,1 0,113 74 0,028 69,8 0,031 70,1 0,026 72

Time

(min)15,3 30,43 51,2 162,05 216,1

Time

(min)

Hình 5.3: Biểu đồ so sánh các tỉ lệ chia tại giá trị chuyển vị 0,035.

73

Trong bảng 5.1, d – chuyển vị (m), mP - Tải trọng từ kết quả mô phỏng

mô phỏng, tP - tải trọng từ kết quả thực nghiệm, mod1t

PP

� �# � � ��

- độ

lệch giữa giá trị tải trọng mô phỏng so với tải trọng thực tế.

Sau khi tiến hành phân tích bài toán cho những tỉ lệ chia khác nhau

được trình bày ở bảng 5.1. Để thấy rõ hơn sự phụ thuộc độ lệch vào tỉ lệ chia

và thời gian có thể nhận ra biểu đồ hình 5.3.

Qua bảng 5.1 và biểu đồ hình 5.3, chỉ ra rằng để có độ sai lệch kết quả

thấp nhất cần có thời gian xử lý và tỉ lệ chia mịn. Quan biểu đồ hình 5.3 cho

ta thấy rằng, đối với bài toán dầm bê tông xỉ chịu uốn ba điểm trong nghiên

cứ này chúng ta nên xử dụng tỉ lệ chia Mesh-80. Vì với tỉ lệ này, giá trị độ

lệch so với Mesh-20 tương đối nhỏ 2% (không đáng kể) trong khi thời gian

xử lý được rút ngắn hơn khoảng 165 phút (24%).

Khi mô phỏng đối với dầm bê tông xỉ chịu uốn ba điểm trong nghiên

cứu này nên sử dụng tỉ lệ chia Mesh-80 vừa đáp ứng độ chính xác tương đối

bài toán và giá thành việc mô phỏng.

5.3.2. Đánh giá sự chính xác mô hình số vật liệu.

Trong phần này, để so sánh sự chính xác của mô hình số vật liệu trong

mô phỏng dầm bê tông xỉ. Nghiên cứu này đưa ra 2 loại mô hình số vật liệu

bê tông thường được sử dụng để mô phỏng tính toán dầm: Mô hình Hsu-Hsu

(1994) và mô hình E. Hognestad (1951) để mô phỏng tính chất ứng xử vật

liệu bê tông. Cùng với đó nghiên cứu cũng đưa ra hai mô hình số vật liệu

thép: Mô hình đàn dẻo lý tưởng (SEPL) và mô hình cải tiến mô hình đàn dẻo

(IEPL) để mô phỏng tính chất ứng xử cốt thép trong mô phỏng. Từ 2 mô hình

số vật liệu bê tông xỉ và 2 mô hình số vật liệu thép. Nghiên cứu này sẽ có 4

trường hợp để so sánh với thực nghiệm.

74

+ Trường hợp 1a: Mô hình vật liệu bê tông Hsu-Hsu (1994) kết hợp

mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL).

+ Trường hợp 1b: Mô hình vật liệu bê tông E.Hognestad (1951) kết

hợp mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL).

+ Trường hợp 2a: Mô hình vật liệu bê tông Hsu-Hsu (1994) kết hợp

mô hình vật liệu thép đàn đẻo lý tưởng (SEPL).

+ Trường hợp 2b: Mô hình vật liệu bê tông Hognestad (1951) kết hợp

mô hình vật liệu thép đàn đẻo lý tưởng (SEPL).

Từ kết quả so sánh với thực hiện, nghiên cứu này sẽ đề xuất trường hợp

chính xác cho mô phỏng .

5.2.2.1. Mô hình vật liệu Hsu-Hsu (1994) và E.Hognestad (1951) kết

hợp mô hình vật liệu thép cải tiến mô hình đàn đẻo lý tưởng (IEPL) (trường

hợp 1a và 1b).


tông xỉ.

Trong trường hợp 1, để mô phỏng dầm bê tông xỉ: Hsu – Hsu (1994)

để mô phỏng tính chất vật liệu bê tông kết hợp với mô hình cải tiến mô hình

75

đàn dẻo lý tưởng (IEPL) để mô phỏng tính chất vật liệu thép (trường hợp 1a)

và mô hình E.Hognestad (1951) kết hợp với mô hình IEPL (trường hợp 1b).

Kết quả mô phỏng được trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị

giữa dầm hình 5.4.

Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình 5.4, cho chúng ta

thấy rằng dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc trong miền đàn hồi khi tải trọng

đạt giá trị dưới 80 (kN). Lúc này, cả 2 trường hợp 1a (Hsu – Hsu và IEPL )

và 1b (E. Hognestad và IEPL) điều không có sự sai lệch lớn. Khi tải trọng

vượt giá trị 80 (kN) thì dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc trong miền dẻo, lúc

này chuyển vị giữa dầm tăng lên nhanh chóng. Lúc này, 2 trường hợp cũng

chưa có sự khác biệt lớn. Khi tải trọng vượt giá trị 110 (kN), thì chuyển vị

giữa dầm cho mô hình trường hợp 1a là tương đối chính xác so với kết quả

thực nghiệm khoảng lệch khoảng 0.8% (gần như chính xác tại một số điểm)

và giá trị tải trọng đạt giá trị 120.2 (kN) tại chuyển vị 0.035m. Trong khi đó,

giá trị chuyển vị giữa dầm cho mô hình trường hợp 1b tương đối khác so với

thực nghiệm khoảng lệch giữa hai mô hình và thực nghiệm là 8% và tải trọng

đạt giá trị 130,3 (kN) khi chuyển vị tại 0,035m.

Từ nhận xét trên, biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình

5.4 chỉ ra sự kết hợp mô hình vật liệu Hsu – Hsu (1994) để mô phỏng tính

chất bê tông kết hợp với mô hình (IEPL) để mô phỏng tính chất cốt thép

(trường hợp a), đưa ra kết quả tương đối chính xác so với giá trị thực tế

(khoảng lệch hai mô hình khoảng 0,8%) so với trường hợp 1b.

5.2.2.2. Mô hình vật liệu Hsu-Hsu (1994) và E.Hognestad (1951) kết

hợp mô hình đàn đẻo lý tưởng (SEPL) (trường hợp 2a và 2b).

76


tông xỉ.

Trong trường hợp 2, để mô phỏng dầm bê tông xỉ sử dụng: Hsu – Hsu

(1994) kết hợp với mô hình SEPL (trường hợp 1a) và mô hình E.Hognestad

(1951) kết hợp với mô hình SEPL (trường hợp 2b). Kết quả mô phỏng được

trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa dầm hình 5.5.

Biểu đồ hình 5.5 cũng chỉ ra rằng, dầm bê tông xỉ cốt thép làm việc

trong miền đàn hồi khi tải trọng đạt giá trị dưới 80 (kN). Lúc này, cả 2 trường

hợp 2a (Hsu – Hsu và SEPL ) và 2b (E. Hognestad và SEPL) đều không có sự

sai lệch lớn. Khi tải trọng vượt giá trị 80 (kN) thì dầm bê tông xỉ cốt thép làm

việc trong miền dẻo, lúc này chuyển vị giữa dầm tăng lên nhanh chóng. Lúc

này, 2 trường hợp cũng chưa có sự khác biệt lớn. Khi tải trọng đạt 110 (kN)

thì có sự khác biệt giữa 2 trường hợp 2a và 2b và so với giá trị thực nghiệm.

Đối với trường hợp 2a sự sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của mô phỏng so

với thực tế là tương đối lớn khoảng 16,7%. Tương tự đối với trường hợp 2b

sự sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của mô phỏng so với thực tế là tương

đối lớn khoảng 9%.

77

Kết luận, từ những phân tích cho 4 trường hợp lựa chọn mô hình mô

phỏng cho dầm (2 mô hình vật liệu bê tông và 2 mô hình vật liệu cốt thép).

Kết quả so sánh chỉ ra rằng, nhìn chung các trường hợp đều có sự sai khác,

nhưng đối với trường hợp 1a kết quả sai lệch giá trị chuyển vị giữa dầm của

giá trị mô phỏng và kết quả thực nghiệm là tương đối nhỏ khoảng 0,8% và có

thể chấp nhận được. Từ đây, có thể nhận định được khi mô phỏng dầm bê

tông xỉ trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm nên sử dụng mô hình Hsu-Hsu

(1994) để mô phỏng tính chất bê tông kết hợp với mô hình IEPL để mô phỏng

tính chất vật liệu cốt thép cho giá trị mô phỏng tương đối chính xác.

5.3.3. So sánh kết quả mô hình bê tông thường và bê tông xỉ .

5.3.3.1. So sánh về biểu đồ chuyển vị.

Trong phần so sánh này, khi mô phỏng nghiên cứu đã sử dụng mô hình

Hsu-Hsu (1994) để mô phỏng tính chất bê tông kết hợp với mô hình IEPL để

mô phỏng tính chất vật liệu cốt thép cùng với tỉ lệ chia Mesh-80 để mô phỏng

cho dầm bê tông xỉ và dầm bê tông thường kiểm chứng. Kết quả của 2 dầm

RCB và SRCB được trình bày ở biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa

dầm hình 5.6.

Từ số liệu thu được từ mô phỏng và thực nghiệm, nghiên cứu này đã vẽ

biểu đồ độ lệch giá trị tải trọng của mô phỏng và thực nghiệm cho hai dầm

RCB và SRCB (hình 5.6)

78

Hình 5.6: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị cho RCB và SRCB.

Hình 5.7: Biểu đồ độ lệch giữa mô phỏng và thực nghiệm biến dạng giữa

dầm cho RCB và SRCB.

Biểu đồ hình 5.7, mod1t

dd

� �# � � ��

- phần trăm độ lệch giá trị tải

trọng cuả thực nghiệm và mô phỏng.

Hình 5.6 và hình 5.7 chỉ ra rằng, độ lệch giữa kết quả mô phỏng và thực

nghiệm của dầm bê tông xỉ là tương nhỏ (độ lệch lớn nhất khoảng 3,3% tại

79

giá trị chuyển vị 0,01m). Tương tự, giá trị độ lệch đối với dầm bê tông thường

cũng tương đối nhỏ (độ lệch lớn nhất khoảng 3,3% tại giá trị chuyển vị

0,01m). Từ đó ta có thể thấy rằng kết quả mô phỏng dầm tương đối chính xác

cho hai dầm (dầm bê tông đá và bê tông xỉ).

Nhìn chung, từ các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho

thấy độ lệch của dầm bê tông đá và bê tông xỉ là tương đối gần nhau (chỉ cách

nhau khoảng 1 – 3%). Và độ lệch của kết quả cho dầm bê tông xỉ là tương đối

chính xác nhiều hơn so với dầm bê tông thường. Vì vậy, có thể kết luận rằng

nếu sử dụng mô hình vật liệu phát triển cho bê tông thường để mô phỏng tính

chất bê tông đá là hoàn toàn chấp nhận được.

5.2.3.4. So sánh về biểu đồ ứng suất cốt thép.

Hình 5.12: Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng suất cốt thép cho RCB và

SRCB.

Trong phần này, nghiên cứu thực hiện so sánh ứng suất cốt thép trong

mô phỏng với ứng suất cốt thép tính toán theo tiêu chuẩn ACI – 318 (11) (do

điều kiện thí nghiệm dầm không cho phép thu được kết quả ứng suất cốt thép

nên phải so sánh với tiêu chuẩn Hoa kỳ). Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng

80

suất cốt thép cho RCB và SRCB (hình 5.12) chỉ ra rằng ứng suất trong cốt

thép từ mô phỏng với tiêu chuẩn ACI – 318 (11) độ lệch tương đối nhỏ

(khoảng 10 – 15%). Qua biểu đồ hình 5.12 cũng cho ta thấy rằng độ lệch của

dầm bê tông đá và bê tông xỉ là tương đối gần nhau (chỉ cách nhau khoảng

5%). Và độ lệch của kết quả cho dầm bê tông xỉ là tương đối chính xác nhiều

hơn so với dầm bê tông thường. Vì vậy, có thể kết luận rằng nếu sử dụng mô

hình vật liệu phát triển cho bê tông thường để mô phỏng tính chất bê tông đá

là hoàn toàn chấp nhận được.

81

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU

6.1. Kết luận và đánh giá.

Qua kết quả thí nghiệm đã trình bày, nghiên cứu này có thể rút ra các

kết luận sau:

+ Khi mô phỏng dầm bê tông cốt thép và dầm bê tông xỉ cốt thép,

những nhân tố: Mô hình vật liệu bê tông, mô hình vật liệu thép, tỉ lệ chia

phần, ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Trong nghiên cứu này đề xuất khi mô

phỏng nên sử dụng: mô hình bê tông Hsu-Hsu (1994) và mô hình thép IEPL

và tỉ lệ chia Mesh-80 cho kết quả tương đối chính xác trong thí nghiệm dầm

chịu uốn ba điểm.

+ Giả thuyết sử dụng mô hình tính toán mô phỏng cho bê tông thường

để mô phỏng tính chất bê tông xỉ có thể chấp nhận được và sai số tương đối

nhỏ.

6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo.

Khi đã có mô hình để mô phỏng tính chất bê tông xỉ trình bày ở phần

trên thì có thể mở rộng thêm những nghiên cứu khác như:

+ Từ mô hình ta có thể nghiên cứu được sự mở rộng vết nứt trong dầm

bê tông xỉ. Phần mền Abaqus đang phát triểm công cụ mô tả sự mở rộng vết

nứt.

82

Hình 6.1: Sự mở rộng vết nứt Abaqus.

+ Nghiên cứu này, chỉ nghiên cứu ứng xử cho dầm bê tông xỉ. Qua

những kết quả thu được từ nghiên cứu này chúng ta có thể nghiên cứu ứng xử

cho cột bê tông xỉ hay nút khung khi chịu tải trọng tỉnh hoặc tải trọng động.

Hình 6.2: Mô phỏng nút khung và chịu tải động.

83

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia. A material model for

flexural crack simulation in reinforced concrete elements using Abaqus,

Queensland University of Technology, Brisbane, Australia, pp.260-264,

2011.

[2] Deng Silhua, Qie Ze, Wang Li. Nonlinear Analysis of Reinforced

Concrete Beam Bending Failure Experimentation Based on ABAQUS,

International Conference on Information Sciences, Mechinery, Materials

and Energy (ICISMME 2015) , Beijing China, pp.440-444, 2015.

[3] Veo, A. Anh Ghali A. (1977).: Moment Curvature Relation of Reinforced

Concrete Slads, Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 103, No.ST3,

pp.515-531.

84

[4] S.V.Chaudhari, M.A.Chakrabarti,: Modeling of concrete for nonlinear

analysis Using Finite Element Code ABAQUS, Department of Applied

Sciences & Humanitie Rajiv Gandhi institute of Technology, Mumbai,

India, pp. 402-408, 2012.

[5] Abaqus Theory Manual. Version 6.13, ABAQUS Inc., pp 398-420, 2013.

[6] Hsu, L.S., & Hsu, C.-T.T. (1994). Complete stress-strain behaviour of

high-strength concrete under compression. Magazine of Concrete

Research, 46(169), pp 301-312,1994.

[7] Eivind, Hognestad.: A Study of Combined Bending and Axial Load in

Reinforced Concrete Members. ENGINEERING EXPERIMENT STATION,

University of Illinois, Urbana, November 1951. Bulletin Series No. 399,

ENGINEERING EXPERIMENT STATION, University of Illinois,

Urbana, Vol. 49, No. 22. Bulletin Series No. 399A, Vol. 49, No. 22.

[8] Thi-Thuy-Hang NGUYEN, Ứng xử chịu uốn dầm bê tông cốt liệu xỉ.

Người Xây Dựng, Viet Nam,pp 12-16, 2015.

[9] Agnieszka PEŁKA-SAWENKO1, Tomasz WRÓBLEWSKI, Maciej

SZUMIGAŁA2. Validation of Computational Models of Steel-Concrete

Composite Beams, West Pomeranian University of Technology of Szcze

Faculty of Civil Engineering and Architecture, Poznań,pp. 25-28, 2014.

[10] ACI 318-04: Building Code Requirements for Reinforced Concrete.

USA, 2014.

[11] Mien Van Tran, Chanh Van Nguyen, Toyaharu NAWA, Boonchai

Stimannaithum, “ Properties Of High Strength Concrete Using Steel Slag

Coarse Aggregate” ,pp. 72 – 75, 2012

[12] M. Maslehuddin, Alfarabi M. Sharif, M. Shameem, M. Ibrahim, M.S.

Barry, “Comparison Of Properties Of Steel Slag And Crushed Limestone

Aggregate Concretes” ,pp. 35-38, 2012

85

[13] Ths. Lê Đăng Dũng, “ Nghiên cứu ứng xử của nút khung bê tông cốt

thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn”, Bộ môn kết cấu xây dựng – Viện

kỹ thuật xây dựng. pp. 24-27, 2010

[14] Nguyễn Trần Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải, Hồ Hữu Chỉnh., “

Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng ứng xử không đàn hồi

của kết cấu bê tông cốt thép” , pp. 12-16, 2011

[15] Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp, Lê Đăng Dũng, “Nghiên cứu ứng xử

chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường bằng bê tông lưới cốt

dệt” , pp.43-47, 2015.

[16] Nguyễn Hồng Vũ, “Ứng sử cấu kiện Bê tông cốt thép cốt liệu Xỉ Thép”,

pp 2, 2015

Documents

KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO CỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ …fceam.hcmute.edu.vn/Resources/Docs/SubDomain/fceam/LuanVanThacSi/XDDD... · Việc sử dụng vật liệu