Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh mô phỏng quá trình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, có xét đến hiện tượng phá hủy của bê tông được lựa chọn và xác định các vùng phá hủy của kết cấu sau khi va chạm. Trong đó, vật liệu bê tông và cốt thép.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TRỰC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện Long An – 2019
i LỜI CAM ĐOAN Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Trực
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chương trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Trực
iii Tóm tắt luận văn Kết cấu trụ cầu bê tông cốt thép (BTCT) thường được thiết kế để chống lại tải trọng gió, địa chấn và đặc biệt là sự va chạm của các phương tiện đường thủy. Tai nạn va chạm giữa phương tiện đường thủy và trụ cầu không chỉ là vấn đề hay xảy ra ở Việt Nam mà còn ở trên thế giới. Trước những thiệt hại to lớn gây ra bởi va chạm giữa phương tiện đường thủy với trụ cầu, việc nghiên cứu các biện pháp bảo vệ trụ cầu trước nguy cơ va chạm này là cần thiết. Tuy nhiên, những nghiên cứu về các biện pháp phòng tránh va chạm tàu tại Việt Nam thông qua mô phỏng số hiện nay còn rất hạn chế. Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ phân tích sự phá hủy của trụ cầu bê tông cốt thép khi va chạm với sà lan thông qua chương trình ANSYS với mô đun Explicit. Đồng thời, xác định các vị trí bị phá hủy của trụ cầu trong quá trình va chạm để từ đó đề xuất những phương án thiết kế hay gia cố hiệu quả.
iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. x CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu đề tài .................................................................................................. 1 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ..................................................... 2 1.2.1. Trên thế giới .................................................................................................. 2 1.2.2. Trong nước .................................................................................................... 2 1.3. Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu .............................. 3 1.3.1. Kết cấu sà lan ................................................................................................ 3 1.3.2. Kết cấu trụ cầu .............................................................................................. 4 1.3.3. Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu ................................ 6 1.3.4. Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của phương tiện thủy .............................................................................................................. 6 1.4. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................... 8 1.5. Mục tiêu và phạm vi của đề tài ......................................................................... 8 1.6. Tóm tắt chương 1 ............................................................................................... 9 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 10 2.1. Kết cấu bê tông cốt thép .................................................................................. 10 2.1.1. Giới thiệu .................................................................................................... 10 2.1.2. Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép .............................................................. 11 2.2. Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam ............... 13 2.3. Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông ................................................................. 16 2.4. Lực va chạm ...................................................................................................... 21 2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 25
v 2.5.1. Quan hệ ứng suất biến dạng ........................................................................ 25 2.5.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic) ........................................................................................................ 29 2.6. Tóm tắt chương 2 ......................................................................................... 32 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ..................................................................... 34 3.1. Giới thiệu các mô đun của phần mềm dùng để mô phỏng ........................... 34 3.1.1. Mô đun Explicit dynamic trong ANSYS WORKBENCH ......................... 34 3.1.2. Các bước thực hiện ..................................................................................... 35 3.2. Mô hình mô phỏng ........................................................................................... 38 3.2.1. Mô tả bài toán ............................................................................................. 38 3.2.2. Thông số vật liệu......................................................................................... 41 3.2.3. Xây dựng mô hình ...................................................................................... 42 3.2.4. Nhập các thông số phân tích ....................................................................... 48 3.2.5. Chia lưới mô hình ....................................................................................... 49 3.2.6. Thiết lập điều kiện biên .............................................................................. 50 3.2.7. Giải .............................................................................................................. 52 3.2.8. Phân tích kết quả ......................................................................................... 53 3.2.9. So sánh kết quả ........................................................................................... 57 3.3. Tóm tắt chương 3 ............................................................................................. 58 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 59 4.1. Kết luận ............................................................................................................. 59 4.2. Kiến nghị và hướng phát triển ........................................................................ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60
vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông........................................................ 3 Hình 1.2. Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu .................................................................... 2 Hình 1.3. Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp .............................................. 5 Hình 1.4. Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép ......................................................... 5 Hình 1.5. Cầu Tjorn, Thụy Điển ...................................................................................... 7 Hình 1.6. Cầu Tjorn cũ sau va chạm ............................................................................... 7 Hình 1.7. Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ....................................................................... 8 Hình 2.1. Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép ................................................................. 10 Hình 2.2. Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép ............................................................ 12 Hình 2.3. Biểu đồ lực cắt và cách bố trí cốt đai ............................................................ 12 Hình 2.4. Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực .................................................................... 13 Hình 2.5. Dạng hình học của phần tử SOLID65 ........................................................... 16 Hình 2.6. Năng lượng va chạm theo Minorsky.............................................................. 21 Hình 2.7. Thí nghiệm va chạm của Woisin .................................................................... 22 Hình 2.8. Lực va chạm theo thời gian đề xuất bởi Woisin ............................................ 22 Hình 2.9. Lực va tĩnh theo kích thước tàu ..................................................................... 23 Hình 2.10. Tổng năng lượng ứng với các năng lượng khác nhau ................................. 23 Hình 2.11. Quan hệ lực va chạm và vận tốc tàu theo AASHTO ................................... 24 Hình 2.12. So sánh lực va lên tường cứng và cọc đàn hồi ứng với các phương pháp khác nhau ....................................................................................................................... 25 Hình 2.13. Đồ thị ứng suất biến dạng ........................................................................... 26 Hình 3.1. Lưu đồ phân tích động lực học va chạm trong ANSYS ................................. 35 Hình 3.2. Chọn mô đun Explicit Dynamic ..................................................................... 35 Hình 3.3. Định nghĩa sự tương tác giữa các vật rắn ..................................................... 36 Hình 3.4. Lưới phần tử trong bài toán va chạm ............................................................ 36
vii Hình 3.5. Thiết lập điều kiện biên ................................................................................. 37 Hình 3.6. Các thông số phân tích .................................................................................. 37 Hình 3.7. Chọn bộ giải .................................................................................................. 38 Hình 3.8. Kết quả ứng suất trong quá trình va chạm .................................................... 38 Hình 3.9. Sà lan chở hàng trên sông ............................................................................. 39 Hình 3.10. Kích thước của sà lan JH ............................................................................ 39 Hình 3.11. Cầu Jiujiang tại Trung Quốc [1] sau tai nạn va chạm xảy ra .................... 40 Hình 3.12. Sơ đồ bố trí bê tông cốt thép trong trụ cầu ................................................. 41 Hình 3.13. Chọn công cụ xây dựng hình học ................................................................ 42 Hình 3.14. Tạo mới hình học trụ cầu ............................................................................ 42 Hình 3.15. Chọn các kích thước hai chiều .................................................................... 43 Hình 3.16. Tạo khối chữ nhật ........................................................................................ 43 Hình 3.17. Tạo đường thẳng trong khối chữ nhật để mô hình cốt thép ........................ 44 Hình 3.18. Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép ................................................... 44 Hình 3.19. Tạo nhiều cốt dọc bằng lệnh copy ............................................................... 45 Hình 3.20. Tạo các cốt đai ............................................................................................ 45 Hình 3.21. Tạo nhiều cốt đai bằng lệnh copy................................................................ 46 Hình 3.22. Tạo vật thể đặc trưng cho khối lượng tác động lên đỉnh trụ cầu ................ 46 Hình 3.23. Thiết lập khối lượng .................................................................................... 47 Hình 3.24. Xác định các kích thước hình học của sà lan trên hình chiếu bằng ............ 47 Hình 3.25. Tạo mô hình sà lan ba chiều........................................................................ 48 Hình 3.26. Thiết lập sự tương tác giữa các vật rắn ...................................................... 48 Hình 3.27. Thiết lập các thông số tương tác như hệ số ma sát ..................................... 49 Hình 3.28. Chia lưới mô hình ........................................................................................ 49 Hình 3.29. Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường.............................................. 50
viii Hình 3.30. Thiết lập điều kiện biên chuyển vị ............................................................... 51 Hình 3.31. Thiết lập điều kiện biên vận tốc ................................................................... 51 Hình 3.32. Thiết lập các thông số phân tích.................................................................. 52 Hình 3.33. Chọn các kết quả chuyển vị cần xuất ra ...................................................... 52 Hình 3.34. Chọn các kết quả ứng suất cần xuất ra ....................................................... 53 Hình 3.35. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,13s ............................................ 53 Hình 3.36. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,2s .............................................. 54 Hình 3.37. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,26s ............................................ 54 Hình 3.38. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,3s .............................................. 55 Hình 3.39. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,13s ........................................................ 55 Hình 3.40. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,2s .......................................................... 55 Hình 3.41. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,26s ........................................................ 56 Hình 3.42. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,3s .......................................................... 56 Hình 3.43. Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian ................................................. 57 Hình 3.44. Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian ........................................................... 57 Hình 3.45. So sánh kết quả tham khảo từ [1] và kết quả tính toán ............................... 58
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Qui định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước ..... 14 Bảng 2.2. Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γbc và khi kéo γbt ............. 15 Bảng 2.3. Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông Rbn , Rbtn và cường độ tính toán của bê tông khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser , Rbt,ser , MPa ............... 15 Bảng 2.4. Các thông số đầu vào .................................................................................... 17 Bảng 3.1. Thông số kích thước sà lan ........................................................................... 19 Bảng 3.2. Thông số vật liệu ......................................................................................... 41
x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FEM Finite Element Method PPPTHH Phương pháp phần tử hữu hạn BTCT Bê tông cốt thép
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu đề tài Bê tông cốt thép đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng trong xây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu địa phương, khả năng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, ít phải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn… Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều kết cấu bê tông cốt thép như trụ cầu thường xuyên chịu sự va đập trong quá trình đưa vào sử dụng. Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái. Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh [11], hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước. Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số có thể lên đến 800 tỷ đồng Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với trụ cầu bê tông cốt thép, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm. Do vậy, bài toán va chạm bê tông cốt thép đã trở thành bài toán phổ biến và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi bởi sự cần thiết trong những vấn đề dự đoán, tính toán thiệt hại của những tai nạn, từ đó giúp ta tìm được phương pháp tối ưu để giảm thiểu những thiệt hại đáng tiếc xảy ra. Và các nhà khoa học đã góp phần tìm ra lời giải cho bài toán trên thông qua các lý thuyết và thuật toán khác nhau. Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép khi có tác dụng của tải va chạm sẽ được tính toán mô phỏng bởi phương pháp phần tử hữu
2 hạn, một trong những phương pháp số rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.2.1. Trên thế giới Tháng 6 năm 2008, hai tác giả Peng Yuan và Issam E. Hark đã xuất bản báo cáo nghiên cứu cho Trung tâm giao thông vận tải ở Kentucky. Hai bài nghiên cứu với tựa đề “Multi-barge flotilla impact forces on bridges” và “Equivalent barge and flotilla impact forces on bridge piers”. Sau vụ va chạm giữa sà lan vào trụ cầu “The Queen Isabella Causeway”, đây là động lực để tác giả tiến hành nghiên cứu bài toán va chạm. Thông qua phương pháp AASHTO và kết quả mô phỏng tác giả đã đề xuất ra phương pháp tính va chạm nhằm mang lại độ tin cậy. Năm 2002, tác đã Gary R. Consolazio và Ronald A. Cook xuất bản bài nghiên cứu sự khả thi về va chạm giữa cầu và sà lan JH với tựa đề “Barge Impact Testing of the St. George Island Causeway Bridge”. Florida là một tiểu bang ở đông nam bộ của Hợp chúng quốc Hoa Kỳ, về mặt địa lý, phần lớn lãnh thổ Florida là một bán đảo nằm giữa vịnh Mexico, Đại Tây Dương, và eo biển Florida. Để thuận tiện cho việc di chuyển cây cầu “Saint George Island Causeway Bridge” được xây dựng vào năm 2002, cầu được thiết kế bởi đại học Florida. Nhận thấy được tầm quan trọng của cây cầu nên hai tác giả đã tiến hành tính toán va chạm giữa trụ cầu với sà lan JH. 1.2.2. Trong nước Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái. Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh, hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước. Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số
3 có thể lên đến 800 tỷ đồng. Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với cầu, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm. Ở nước ta, đã có nhiều bài nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu trước các hiện tượng va chạm, nhưng còn mặt nhiều hạn chế để đưa vào áp dụng. Tháng 6 năm 2016, TS. Lê Quốc Tiến (trường Đại học Hàng hải Việt Nam) đã có bài báo đăng trên trang tạp chí giao thông với tựa đề “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước va chạm với phương tiện thuỷ”. Bài báo nêu thực trạng của sự va chạm trong và ngoài nước những năm 1960 trở lại đây, điểm nhấn trong bài báo tác giả muốn xác định lực va chạm và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này, từ đó tác giả đã đưa ra một số biện pháp bảo vệ cầu. Bên cạnh đó, TS. Nguyễn Xuân Toản và Nguyễn Đức Hoàng đã phân tích va chạm qua bài báo “Phân tích va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn thành phố Đà Nẵng”. Bằng việc kết hợp hai bài toán cơ bản, bài toán va chạm và bài toán dao động kết cấu, tác giả đã xử lý và phân tích được hiệu ứng va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn. 1.3. Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu 1.3.1. Kết cấu sà lan Sà lan (từ gốc tiếng Pháp là Chaland) là một thuyền có đáy bằng, một phương tiện dùng để chở các hàng hoá nặng di chuyển chủ yếu ở các con kênh hoặc các con sông. Hiện nay, có hai loại Sà lan:  Sà lan thông thường: loại này không thể tự di chuyển mà chúng phải được kéo hoặc đẩy bằng một tàu kéo.  Sà lan tự hành: loại này có thể tự di chuyển mà không cần tàu kéo. Hình 1.1. Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông [nguồn: internet]
4 Vận tải hàng hoá không còn xa lạ đối với mọi người, với các doanh nghiệp. Cùng sự phát triển của đất nước thì nhu cầu vận chuyển ngày càng nhiều, không chỉ bằng đường bộ mà đường thuỷ và hàng không cũng đang được mở rộng. Đối với khu vực phía Nam của nước ta, Đồng Bằng Sông Cửu Long được thiên nhiên ưu đãi về hệ thống sông ngòi, điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển mô hình giao thông đường thuỷ. Trong nhiều loại phương tiện đường thuỷ, sà lan đang được sử dụng nhiều vì có khả năng đáp ứng vận chuyển an toàn hàng hoá với quy mô lớn, đảm bảo chất lượng hàng hoá sau khi xuất xưởng đến nơi tiêu thụ, giảm hao hụt mất mát, giảm thiểu rủi ro, rút ngắn thời gian lưu thông hàng hoá, giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh của Doanh nghiệp. Ngoài ra về mặt xã hội vận tải bằng sà lan còn góp phần giảm ách tắc giao thông đường bộ, tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng giao thông đường bộ. Hình 1.2. Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu [nguồn: internet] Sà lan có thể chuyên chở các mặt hàng sau:  Vận tải hàng vật liệu xây dựng: xi măng, ống nước, gạch, cát, đá, sắt thép,…  Vận tải hàng nông sản: gạo, bắp, bột mỳ, rau củ,…  Vận tải hàng sản xuất công nghiệp: dệt vải, bao bì, thức ăn gia súc, máy móc thiết bị,…  Vận tải hàng xuất nhập khẩu. 1.3.2. Kết cấu trụ cầu Cầu là một phương tiện nổi nối liền hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di chuyển giữa các vị trí được dễ dàng. Ngoài ra, cầu là một công trình giao thông được bắt qua các chướng ngại nước như: dòng sông, hồ, biển, thung lũng, đường bộ, đường sắt,…đảm bảo cho giao thông được liên tục. Ngày nay, các loại cầu đã được cải tiến và
5 phát triển để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống. Độ khó trong xây dựng cầu nằm tại kết cấu, nên việc thiết kế kết cấu cầu vẫn chủ yếu do các kỹ sư xây dựng thực hiện mà ít có đóng góp của kiến trúc sư. Hình 1.3. Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp [nguồn: internet] Cấu tạo của một cây cầu thường là: kết cấu nhịp, mố cầu, trụ cầu, móng cầu, gối cầu, phụ kiện,... Tuy nhiên trong đề tài này chỉ xét đối tượng trụ cầu. 1 3 2 Hình 1.4. Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet] Các thành phần cơ bản của cây cầu  Kết cấu nhịp.  Trụ cầu.  Mố. Bộ phận giữa hai mố cầu để cho kết cấu nhịp tựa lên gọi là trụ cầu. Do nhiều yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nên chiều dài kết cấu nhịp không thể quá dài. Để vượt được
6 khoảng cách lớn yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian đó là trụ cầu, trụ cầu truyền tải từ kết cấu nhịp xuống móng công trình. Đối với loại cầu dây văng hoặc cầu treo thì trụ cầu thường được làm cao hẳn hơn bản mặt cầu, để treo, neo dây cáp chịu lực, gọi là trụ tháp. Trụ cầu có tác dụng phân chia nhịp, truyền phản lực gối từ hai đầu kết cấu nhịp, hình dáng trụ cầu đối xứng theo phương dọc và ngang cầu. Ngoài ra chúng phải đảm bảo các yêu cầu về: mỹ quan, va xô tàu thuyền, tác động của dòng chảy,…. Trụ cầu thường có hai dạng chính:  Trụ dẻo thường sẽ có hai dạng: cột, cọc.  Trụ cứng: trụ toàn khối, trụ lắp ghép. Trụ cứng là đối tượng của cây cầu được phân tích trong bài. Trụ cứng gồm ba bộ phận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ. Trên những sông có dòng nuớc chảy xiết hoặc có khả năng va đập của tàu bè, cây trôi,… chúng ta có thể lắp đặt bộ phận chống va xô cho trụ. Một số dạng trụ cứng thường gặp: trụ đặc thân hẹp, trụ đặc thân rộng và trụ thân cột. 1.3.3. Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu Những rủi ro gây ra sự va chạm thường phụ thuộc vào:  Đặc điểm của cây cầu.  Đặc điểm của đường thuỷ.  Đặc điểm sự giao thông của phương tiện nổi.  Đặc điểm của người lái tàu. 1.3.4. Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của phương tiện thủy Tránh va bằng cách đặt toàn bộ kết cấu cầu trên bờ: Cách an toàn nhất để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu là đặt chúng lên trên bờ. Bằng cách này, chi phí phụ trội do việc tăng chiều dài nhịp cầu có thể được tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc không phải dùng cho việc chi trả chi phí xây dựng công trình bảo vệ. Trong trường hợp cầu dạng vòm, phần vòm của cầu cần phải tránh ra vùng có thể bị tác động. Hình 3.1 và 3.2 minh họa về cầu Tjörn ở Thụy Điển chịu va chạm tàu và biện pháp khắc phục. Sau sự cố va chạm dẫn đến sập cầu, cầu mới được xây dựng có nhịp chính 366m, tăng từ
7 cầu vòm ban đồ có nhịp 217m. Đồng thời, khoảng tĩnh cho toàn bộ chiều dài của nhịp chính là 45,3m Hình 1.5. Cầu Tjorn, Thụy Điển [nguồn: internet] Hình 1.6. Cầu Tjorn cũ sau va chạm [nguồn: internet] Bên cạnh cầu Tjörn, trên thế giới có rất nhiều cầu cũng áp dụng cách này để hạn chế va chạm với phương tiện thủy như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc, cầu Stonecutter ở Hồng Kong… Làm chệch hướng tàu bằng đảo nhân tạo hoặc kết cấu dẫn hướng: Với những vùng nước quá rộng để cầu có thể bắc qua mà không sử dụng trụ cầu trên kênh hành hải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo này. Ưu điểm của phương pháp này là cho độ an toàn cao và cho phép dừng phương tiện thủy một cách từ từ, do đó hạn chế được gia tăng thiệt hại đối với vỏ tàu. Để bảo vệ khỏi ăn mòn, loại đảo này thực sự không yêu cầu duy tu mà chỉ đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm một lượng nhỏ sau va chạm. Việc sử
8 dụng loại này thường bị hạn chế tới mức nó có thể không làm giảm mặt cắt ướt của dòng chảy dẫn tới tốc độ dòng chảy tăng lên một cách nguy hiểm. Hình 1.7. Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ [nguồn: internet] Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ là công trình tiêu biểu sử dụng đảo nhân tạo để bảo vệ trụ cầu. Trong Hình 1.7, hai cây cầu này được thiết kế với một trụ cầu được đặt trên bờ, đảo nhân tạo được xây dựng phục vụ cho trụ còn lại được đặt ở vị trí nước nông. Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu được va chạm trực tiếp 1.4. Ý nghĩa của đề tài  Mô phỏng vùng phá hủy kết cấu bê tông cốt thép khi sà lan va chạm.  Kết quả mô phỏng dùng để khắc phục những nơi yếu hay cải thiện gia cường kết cấu, từ đó tính toán giảm chi phí, tăng tuổi thọ cho công trình. 1.5. Mục tiêu và phạm vi của đề tài Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh mô phỏng quá trình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, có xét đến hiện tượng phá hủy của bê tông được lựa chọn và xác định các vùng phá hủy của kết cấu sau khi va chạm. Trong đó, vật liệu bê tông và cốt thép của trụ cầu xét trong miền đàn hồi đẳng hướng, bỏ qua sự tương tác trụ cầu với đất.