GS.Nguyễn viết Trung Chương 5: Mô hình Phần tử hữu hạn kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông
87
CHƯƠNG 5
MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU LIÊN HỢP ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG
5.1. KHÁI QUÁT
Mục đích trong phần này là để thấy rõ hơn trạng thái làm việc của kết cấu liên hợp gồm có
mặt cắt ống thép được nhồi đặc bằng bêtông dưới tác dụng của tải trọng phá hoại.
Để đạt được mục đích này chúng ta cần thực hiện rất nhiều thí nghiệm với mô hình theo
đúng thực tế và có thay đổi các kích thước của mô hình. Một hướng khác là tiến hành phân
tích kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến. Phân tích bằng PTHH cũng có thể
được kiểm tra tốt hơn qua các tham số khác nhau sau khi đem so sánh với các thí nghiệm mô
hình đúng thực tế và từ đó có thể dễ dàng để đưa ra kết luận. Hơn nữa, phân tích PTHH đưa
ra cơ hội nghiên cứu kết cấu nhiều hơn bởi vì số lượng kết quả phân tích có thể nhiều hơn. Vì
vậy, trước tiên nên phân tích PTHH để có được các nhận định chung và các kết qủa hiệu ứng
tham số. Sau đó trên cơ sở những hiểu biết đã thu được bằng phân tích PTHH sẽ tiến hành
các thí nghiệm thực tế. Như vậy sẽ giảm được nhiều công sức và kinh phí, thời gian làm thí
nghiệm. Tuy nhiên, các thí nghiệm rất cần thiết để kiểm tra mà phân tích PTHH tương ứng
với trạng thái hiện tại. Do vậy khi các thí nghiệm và phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến
được dùng đồng thời, chúng có thể trở nên các công cụ rất mạnh để thu thập kiến thức giúp
chúng ta hiểu biết tốt hơn của trạng thái kết cấu của các cột liên hợp.
Cột liên hợp trong nghiên cứu này đã được phân tích bằng Chương trình phần tử hữu hạn
ABAQUS/ phiên bản 5.7, ngoài ra các phần mềm khác như STAAD Pro, SAP 2000 và
MIDAS civil 6.3.0 cũng rất có hiệu quả trong phân tích kết cấu. Vấn đề chính trong các phân
tích vẫn là dính bám giữa lõi bêtông và ống thép; việc tăng độ nén của bêtông do hiệu ứng
kìm hãm; và hiệu ứng của tải trọng tác dụng khác nhau. Trong nghiên cứu vấn đề này, chúng
ta nên thiế lập mô hình phân tích phần tử hữu hạn 3-D để nghiên cứu. Khi tăng ứng suất
trong bêtông và thép, vật liệu biểu thị khả năng phi tuyến trạng thái, xuất hiện biến dạng và
ứng xử của vật liệu yếu đi; (xem hình 5.1).
GS.Nguyễn viết Trung Chương 5: Mô hình Phần tử hữu hạn kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông
88
Hình 5.1. Quan hệ ứng suất - biến dạng phi tuyến một trục của (a) bêtông và (b) thép.
Hai đường cong tỷ lệ khác nhau.
Có thể hiểu trạng thái cơ học với phá hoại cuối cùng, đó là điều quan trọng mà trạng
thái phi tuyến này có thể được tái tạo trong phân tích PTHH. Tính chất phi tuyến của
bêtông khi chịu nén và thép đã miêu tả cho với mô hình đàn hồi. Vết nứt trong bêtông
được đề cập bằng sử dụng bằng phương pháp làm bẩn vết nứt với các hướng nứt cố định.
Trong nghiên cứu dính bám giữa ống thép và lõi bêtông, mô hình cơ sở bề mặt liên kết
trong tổ hợp với mô hình ma sát Coulomb được sử dụng; xem HKS (1997).Trạng thái phi
tuyến hình học đã đưa vào bản báo cáo, tương ứng mômen thứ cấp được xét.
5.2. MÔ HÌNH CỘT MẢNH DÀI
Mô hình PTHH của cột mảnh dài ở chỗ tổng số 15251 phần tử; xem hình 5.2. ống thép đã
được mô hình với 8 nút phần tử. Với lõi bêtông và bản đặt tải, cả 8 nút và 6 nút phần tử đã sử
dụng. Mặt phẳng đối xứng trực giao (vuông góc) với hướng uốn của cột với mô hình PTHH
giảm đến mức tối thiểu. Chỉ một nửa chiều cao của mô hình cột đã thấy trong hình 5.2a. Như
trong các thí nghiệm, chiều dài cột được biểu thị là Lc, và chiều dài uốn dọc của cột là L.
Bản đệm cong được dùng trong các thí nghiệm là không được mô hình tách rời nhau,
nhưng đã bao gồm trong các phần tử của bản đặt tải. Tải trọng tác dụng như tăng biến dạng
tại một nút của đỉnh bản đệm. Nút đặt tải này đã bố trí với một độ lệch tâm từ đường tim của
mặt cắt và được liên kết với nút trung tâm của bản đặt tải thông qua một phần tử dầm cứng;
xem hình 5.2b. Chiều dài của phần tử dầm cứng do đó đã định nghĩa độ lớn của độ lệch tâm.
Nứt tương ứng ở bản đặt tải thấp hơn không được ngăn cản tất cả các chuyển vị theo phương
ngang, theo phương ngang cũng như phương thẳng đứng. Nút trung tâm đã lựa chọn như nút
trung gian của bề mặt cứng đã được định nghĩa ở bản đặt tải, cốt để mà phân phối sự di
chuyển của nút trung gian với toàn bộ bẳn đặt tải. Như trong chuỗi thí nghiệm thứ 2, tải trọng
đã tác dụng với mặt cắt bêtông (a), mặt cắt thép (b), hoặc mặt cắt toàn bộ (c); xem hình 5.3.
Tuy nhiên, cột mảnh dài luôn dựa trên mặt mặt cắt toàn bộ ở phía đáy. Vì vậy, sự xắp xếp tải
trọng trong hình 5.3c đã sử dụng tại đáy của cột trong mô hình PTHH.
GS.Nguyễn viết Trung Chương 5: Mô hình Phần tử hữu hạn kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông
89
Hình 5.2 Phân tích phần tử hữu hạn cột mảnh dài. (a) Một nửa mô hình, (b) đỉnh bản
đặt tải, (c) mặt cắt cột.
Hình 5.3 Đặt tải trong mô hình FE cho các cột. (a) Tác dụng tải lên mặt cắt lõi bêtông,
(b) tác dụng tải trên mặt cắt thép và (c) tác dụng tải trên toàn bộ mặt cắt.
GS.Nguyễn viết Trung Chương 5: Mô hình Phần tử hữu hạn kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông
90
5.3. MÔ HÌNH CỘT NGẮN
Bởi vì tải trọng đúng tâm đã tác dụng tương tự nhau ở cả hai đầu của cột ngắn, 3 mặt
phẳng đối xứng đã đạt được. Vì vậy, 1 trong 8 cột đã được mô hình; xem hình 5.4. ống thép
được mô hình bằng 8 phần tử nút. Với lõi bêtông và bản đặt tải, cả 8 phần nút và 6 phần tử
nút được sử dụng. Trong tổng số mô hình được sử dụng trong phân tích PTHH của cột ngắn
gồm có 2213 phần tử.
Tải trọng tác dụng như biến dạng tăng tại nứt trung tâm của bản đặt tải. Cốt để mà phân bố
tải trọng, tất cả các nút khác tại mặt đỉnh của bản đặt tải đã ép buộc có cùng sự dịch chuyển
thẳng đứng như nút trung tâm. Các bản đối xứng trong mô hình ngăn cản tất cả sự dịch
chuyển trực giao với mặt phẳng.
Như kinh nghiệm nghiên cứu của cột ngắn, tải trọng được đặt tương tự nhau ở cả hai đầu
và đã tác dụng (a) mặt cắt bêtông, (b) mặt cắt thép hoặc (c) mặt cắt toàn bộ. Sự xắp xết tải
trọng trong mô hình PTHH của cột ngăn được chỉ trong hình 5.5.
Hình 5.4 Mô hình cột ngắn theo phương pháp PTHH
GS.Nguyễn viết Trung Chương 5: Mô hình Phần tử hữu hạn kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông
91
Hình 5.5 Đặt tải trong mô hình FE cho các cột. (a) Tác dụng tải lên mặt cắt lõi bêtông,
(b) tác dụng tải trên mặt cắt thép và (c) tác dụng tải trên toàn bộ mặt cắt.