Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích độ võng của sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng dài hạn (từ biến) bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: ViJiji ViJiji | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn được nghiên cứu với mục tiêu nhằm nghiên cứu lý thuyết phần tử hữu để phân tích ứng xử cơ học kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng dài hạn. Mô phỏng quá trình võng xuống của sàn bê tông cốt thép khi chịu tải trong thời gian dài

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích độ võng của sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng dài hạn (từ biến) bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHAN MINH TRÍ PHÂN TÍCH ĐỘ VÕNG CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN (TỪ BIẾN) BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Tích Thiện Long An– 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN PHAN MINH TRÍ PHÂN TÍCH ĐỘ VÕNG CỦA SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG DÀI HẠN (TỪ BIẾN) BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành:Kỹ thuật Xây Dựng Mã số: 8.58.02.01 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Trƣơng Tích Thiện Long An – 2020
LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chƣơng trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trƣờng Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng nhƣ hoàn thành luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS Trƣơng Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hƣớng 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 Phan Minh Trí
BẢN CAM KẾT Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác nhƣ đã đƣợc ghi trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ đƣợc nộp tại Trƣờng 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 chƣa từng đƣợc sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đƣợc ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Phan Minh Trí
Tóm tắt luận văn Ứng xử dài hạn của kết cấu phụ thuộc chủ yếu vào tính chất biến dạng của bê tông, đặc biệt là từ biến và co ngót. Mô-đun đàn hồi của vật liệu là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến từ biến.Để mô tả quá trình biến dạng, có thể sử dụng lý thuyết về ứng xử đàn – nhớt, hai hiện tƣợng của ứng xử đàn – nhớt là từ biến và hồi phục ứng suất.Có nhiều mô hình đàn – nhớt để dự đoán ứng xử từ , nhƣng xét đến tính chính xác và tính chất vật liệu, mô hình đàn – nhớt đƣợc sử dụng để mô tả và tính toán từ biến là mô hình Maxwell tổng quát, một trong những mô hình tốt nhất để dự đoán ứng xử của từ biến. Trong đó ứng xử đàn – nhớt đƣợc đặc trƣng bởi các thành phần đàn hồi và nhớt, đƣợc mô hình hóa nhƣ sự kết hợp tuyến tính của lò xo và giảm chấn.Mục tiêu chính của luận văn là thiết lập chính xác chuỗi Prony để dự đoán sự suy giảm mô đun đàn hồi , dựa trên hệ số từ biến trong tiêu chuẩn EN 1992-1-1, sử dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) dựa trên ngôn ngữ lập trình Matlab và các công cụ hỗ trợ trong phần mềm ANSYS để mô phỏng từ biến sàn bê tông cốt thép. Các kết quả số đƣợc tính toán sau đó đƣợc so sánh với các phƣơng pháp giải tích.Luận văn bao gồm giới thiệu, lý thuyết đƣợc trình bày ngắn gọn trong chƣơng 2.Các mô hình mô phỏng đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng 3.Kết luận và kiến nghị đƣợc trình bày trong chƣơng 4.
ANALYSIS OF LONG-TERM BEHAVIOR OF CONCRETE FLOOR BY FINITE ELEMENT METHOD The long-term behavior of the structure depends mainly on the deformation properties of the concrete, especially from creep and shrinkage. Modulus of elasticity of materials is one of the important factors that influence from creep. To describe deformation processes, it is possible to use the theory of elastic behavior - viscosity, two phenomena of elastic behavior - viscosity is from creep and stress recovery. There are many models of viscosity to predict creep behavior, but considering the accuracy and properties of materials, the viscoelastic model used to describe and calculate magnetic variables is the general Maxwell model, a of the best models to predict the behavior of variable words. Where viscoelastic is characterized by elastic and viscous components, modeled as a linear combination of springs and dampers. The main objective of the thesis is to correctly establish the Prony series to predict the decrease of elastic modulus, based on creep coefficients in standard EN 1992-1-1, using finite element method) based on the Matlab programming language and ANSYS software to simulate creep behaviorof reinforced concrete floor. The numerical results are then compared with the analytical results. The thesis consists of introduction, the theory is briefly presented in chapter 2. The numerical simulation are detailed in chapter 3. Conclusions and recommendations are presented in chapter 4.
MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN1 1.1. Giới thiệu ................................................................................................................1 1.2. Từ biến của bê tông ................................................................................................2 1.2.1. Khái quát..............................................................................................................2 1.2.2. Cơ chế của từ biến bê tông ..................................................................................3 1.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến bê tông ..........................................................4 1.2.4. Các ảnh hƣởng của từ biến đến bê tông và lên kết cấu bê tông cốt thép ............4 1.3. Kết cấu sàn bê tông cốt thép ...................................................................................6 1.3.1. Khái niệm và phân loại sàn .................................................................................6 1.3.2. Ứng xử chịu tải của sàn BTCT có xét đến từ biến ..............................................7 1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ........................................................................8 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài ....................................................................8 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ........................................................................8 1.5. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................8 1.6. Lợi ích của đề tài ....................................................................................................9 1.6.1. Lợi ích khoa học ..................................................................................................9 1.6.2. Lợi ích thực tiễn.................................................................................................10 1.7. Mục tiêu, đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.........................................................11 1.7.1. Mục tiêu tổng quát .............................................................................................11 1.7.2. Mục tiêu cụ thể ..................................................................................................11 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................12 2.1. Cấu tạo của sàn bê tông cốt thép ..........................................................................12 2.1.1. Ứng xử của sàn bê tông cốt thép .......................................................................12
2.1.2. Sự làm việc của sàn BTCT ................................................................................12 2.2. Từ biến ..................................................................................................................15 2.2.1. Khái niệm ..........................................................................................................15 2.2.2. Hệ số từ biến theo tiêu chuẩn Eurocode2 ..........................................................15 2.2.3. Cơ chế của từ biến .............................................................................................17 2.3. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng từ biến đến kết cấu BTCT ........................................18 2.4. Phƣơngphápphần tử hữu hạn ............................................................................. 19 2.4.1. Giớithiệuchung ................................................................................................ 19 2.4.2. Trình tự giải bài toán kết cấu bằng ANSYS .....................................................20 2.5. Ứng xử đàn nhớt (Viscoelastic) của vật liệu ........................................................21 2.6. Mô hình đàn nhớt .................................................................................................22 2.7. Đƣờng cong Prony cho vật liệu đàn nhớt .............................................................25 2.8. Phƣơng pháp tính ..................................................................................................26 2.9. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn cho mô hình đàn nhớt mô tả hiện tƣợng từ biến .30 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN35 3.1. Phân tích từ biến cho sàn bê tông chịu tải bậc thangtheo thời gian .....................35 3.1.1. Mô hình hình học ..............................................................................................35 3.1.2. Thông số vật liệu ...............................................................................................37 3.2. Phân tích từ biến cho sàn bê tông chịu tải không đổi theo thời gian....................39 3.3. Phân tích từ biến cho sàn bê tông cốt thép chịu tải phức tạp ...............................46 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................50 4.1. Kết luận.................................................................................................................51 4.2. Kiến nghị ..............................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................53 PHỤ LỤC ....................................................................................................................55
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1.Kết cấu sàn bị biến dạng trong quá trình chịu tải. .........................................1 Hình 1.2. Các thành phần biến dạng của bê tông dƣới tải trọng không đổi. ................2 Hình 1.3. Biến dạng đàn hồi và từ biến của bê tông. ....................................................3 Hình 1.4. Các loại sàn thƣờng gặp ................................................................................6 Hình 2.1. Cốt thép trong sàn BTCT .......................................................................... 10 Hình 2.2. Ứng xử của sàn ...........................................................................................10 Hình2.3.Bản loại dầm ............................................................................................ 12 Hình2.4.Bản kê bốn cạnh ....................................................................................... 12 Hình 2.5. Đồ thị biểu diễn từ biến của bê tông ...........................................................15 Hình 2.6.Các giai đoạn của từ biến .............................................................................16 Hình 2.7.Sự giảm cƣờng độ bê tông theo thời gian do từ biến ...................................17 Hình 2.8. Maxwell model. ..........................................................................................20 Hình 2.9.Kelvin-Voigt model. ....................................................................................21 Hình 2.10. Mô hình Generalized Maxwell .................................................................22 Hình 3.1.Tấm bê tông tựa đơn bốn cạnh ....................................................................34 Hình 3.2. Đƣờng cong từ biến của vật liệu dựa trên nội suy Prony ...........................35 Hình 3.3. Độ võng của tấm tại thời điểm 365 ngày trong ANSYS, trƣờng hợp 2 .....36 Hình 3.4.Độ võng của tấm tại thời điểm 365 ngày trong Matlab, trƣờng hợp 2. ......... 37 Hình 3.5. Biểu đồ minh họa độ võng theo thời gian trong trƣờng hợp 1 ...................38 Hình 3.6.Biểu đồ minh họa tải theo thời gian trong trƣờng hợp 2. ............................39 Hình 3.7.Mô hình sàn bê tông.....................................................................................39 Hình 3.8.Đƣờng cong từ biến bê tông ........................................................................40 Hình 3.9.Độ võng tấm bê tông sau một năm. .............................................................41 Hình 3.10.Trƣờng chuyển vị của sàn bê tông. ............................................................43
Hình 3.11.Tiến hành xây dựng mô hình phần tử hữu hạn sàn bê tông cốt thép trong ANSYS ........................................................................................................................44 Hình 3.12.Mô hình PTHH sàn bê tông cốt thép .........................................................44 Hình 3.13.Mô hình cốt thép trong sàn ........................................................................45 Hình 3.14.Đặt điều kiện biên cho sàn BTCT..............................................................45 Hình 3.15.Độ võng sàn bê tông cốt thép sau một năm ...............................................47 Hình 3.16.Kết quả trƣờng chuyển vị theo phƣơng y sau một năm .............................47
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1. Bƣớc tải trong 1 năm ..................................................................................34 Bảng 3.2. Hệ số từ biến và sự suy giảm độ bền theo thời gian ...................................35 Bảng 3.3. Ba hệ số Prony ............................................................................................36 Bảng 3.4. Độ võng ở trung tâm của tấm .....................................................................38 Bảng 3.5.Hệ số từ biến tại thời điểm t ....................................................................... 40 Bảng 3.6.Thông số từ biến có đƣợc bằng cách sử dụng phép nội suy chuỗi Prony 41 Bảng 3.7.Độ võng của tấm bê tông theo thời gian. .....................................................42 Bảng 3.8.Độ võng (mm) giữa sàn bê tông cốt thép theo thời gian với tiết diện cốt thép thay đổi. ...................................................................................................................... 46
1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Từ biến của bê tông đƣợc định nghĩa là biến dạng của cấu trúc thay đổi theo thời gian dƣới tải trọng không đổi và là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi hình dáng của bê tông theo thời gian. Ảnh hƣởng của từ biến làm thay đổi biến dạng và ứng suất bên trong kết cấu.Trong điều kiện nhiệt độ khác nhau, từ biến đƣợc xem là có hại vì có thể gây nứt từ bên trong, đƣợc xem là có lợi khi phân bố lại ứng suất bên trong của kết cấu. Hiện tƣờng từ biến gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến các công trình xây dựng và khó kiểm soát hơn khi nhiệt độ thay đổi. Những công trình bị phá hủy, hƣ hại,… đƣợc xác định bởi nhiều nguyên nhân, trong đó có hiện tƣợng từ biến, từ những công trình đƣợc xác nhận là chịu ảnh hƣởng của từ biến nhƣ cầu cổng vòm ở Deventer, cầu Boutiron ở Pháp, … cho đến những công trình bị phá hủy bởi từ biến gây ra các thiệt hại nghiêm trọng nhƣ cầu Koror-Babeldaob ở Palau, sự sụp đổ hầm Big Dig ở Boston,. Qua những sự kiện trên, các nhà khoa học chứng minh do ảnh hƣởng của nhiều yếu tố, trong đó một phần do hiện tƣợng từ biến. Hình 1.1.Kết cấu sàn bị biến dạng trong quá trình chịu tải. Từ biến là một trong những nguyên nhân chính gây ra nứt trên kết cấu, gây ảnh hƣởng đến các công trình xây dựng, cho nên việc nghiên cứu hiện tƣợng từ biến là hết sức quan trọng. Với những công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã đƣợc nêu
2 trên, luận văn này sẽ tận dụng các kết quả có sẵn để phục vụ cho quá trình nghiên cứu ứng xử của sàn bê tông cốt thép (BTCT) có xét đến hiện tƣợng từ biến khi chịu các loại tải trọng khác nhau, bằng cách sử dụng các phần mềm mô phỏng ANSYS. 1.2. Từ biến của bê tông 1.2.1. Khái quát Từ biến của bê tông là hiện tƣợng biến dạng của bê tông theo thời gian dƣới tải trọng không đổi. Trong quá trình chịu tải, bê tông trải qua biến dạng tức thời và sau đó là biến dạng theo thời gian hay các ứng xử của bê tông liên quan đến các trạng thái biến dạng. Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, các biến dạng chỉ phụ thuộc vào từ biến và co ngót của bê tông (t) = (t) + (t) + (t) (1.1.) Theo công thức trên, chỉ có thành phần biến dạng từ biến và tức thời là phụ thuộc vào ứng suất. Từ biến biến dạng trong 2-3 tháng đầu tiên khoảng 50%, sau đó là 90% khoảng 2-3 năm. Hình 1.2. Các thành phần biến dạng của bê tông dƣới tải trọng không đổi. Thông thƣờng, biến dạng từ biến đƣợc hình thành bởi hai thành phần chính: từ biến phục hồi và từ biến không phục hồi. Theo hình 2, một phần nhỏ của biến dạng từ biến có thể phục hồi, phần lớn hơn thì không thể phục hồi.
3 Hình 1.3. Biến dạng đàn hồi và từ biến của bê tông. 1.2.2. Cơ chế của từ biến bê tông Từ biến là hiện tƣợng biến dạng phụ thuộc vào quá trình đặt tải, quá trình này diễn ra khi bê tông chịu các lực tác dụng kéo, nén, uốn, … không đổi theo thời gian. Biến dạng vẫn xảy ra trong một khoảng thời gian đáng kể khi không có bất kỳ sự gia tăng tải nào, các vết nứt xuất hiện trên bê tông thƣờng xảy ra theo hƣớng tác dụng của lực. Khi từ biến xảy ra trong giai đoạn đàn hồi, biến dạng thƣờng đƣợc phục hồi khi bỏ tải. Từ biến có hai loại, từ biến cơ bản và từ biến khô là hai loại từ biến đƣợc công nhận. Từ biến cơ bản là biến dạng xảy ra dƣới một lực nén không đổi ở trạng thái cân bằng mà không có sự trao đổi độ ẩm với môi trƣờng xung quanh. Từ biến khô, còn đƣợc gọi là hiệu ứng Pickett, sự gia tăng của từ biến xảy ra trong quá trình khô của bê tông, từ biến khô không thể xảy ra khi bê tông trong nƣớc. Từ biến của bê tông phụ thuộc vào nhiều thông số: bản chất vật liệu bê tông, thời gian đặt tải và các yếu tố môi trƣờng. Trong những điều kiện đó, làm cho hình dáng bên ngoài lẫn cấu tạo tinh thể bên trong của vật liệu thay đổi theo các tính chất cơ lý của vật liệu.
4 1.2.3. Các yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến bê tông Kết cấu làm việc trong nhiều môi trƣờng, trong các công trình xây dựng khác nhau, do đó từ biến cũng chịu nhiều ảnh hƣởng khác nhau nhƣ tỷ lệ bê tông, tính chất xi măng, điều kiện làm việc, nhiệt độ, mức độ ứng suất, thời gian chịu tải, tính chất vật liệu bên trong bê tông. Tỷ lệ bê tông: sự gia tăng của từ biến tỷ lệ với thành phần nƣớc/xi măng có trong bê tông. Nói cách khác, từ biến tỉ lệ nghịch với cƣờng độ của bê tông. Từ biến có xu hƣớng giảm với mẫu bê tông có kích thƣớc lớn hơn. Tính chất xi măng: hiện nay, xi măng cũng có nhiều loại khác nhau, bê tông thƣờng, bê tông cƣờng độ cao, bê tông hạt mịn,… có thể gây ảnh hƣởng đến cƣờng độ của bê tông ở độ tuổi sớm do đó gây ảnh hƣởng đến từ biến, gây ảnh hƣởng đến giai đoạn hình thành của bê tông. Điều kiện bảo dƣỡng: Chất phụ gia làm cho bê tông đủ tuổi làm việc trƣớc 28 ngày cũng làm ảnh hƣởng đến từ biến. Nhiệt độ: Nhiệt độ cao luôn dẫn đến sự gia tăng từ biến. Mức độ ứng suất: từ biến còn phụ thuộc bởi thời gian tác dụng của ứng suất, từ biến tăng cao hơn với mức độ ứng suất cao hơn trong cùng thời điểm. Thời gian chịu tải: Tốc độ gia tăng từ biến giảm theo thời gian. Độ ẩm của bê tông ở độ tuổi khác nhau cũng ảnh hƣởng đến độ lớn của từ biến. Đa số từ biến xảy ra trong vòng 2 năm đầu. Tính chất vật liệu bên trong bê tông: Cốt liệu tốt sẽ làm hạn chế từ biến của bê tông. Các yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến có thể có lợi hoặc cũng có thể có hại.Thông thƣờng, những yếu tố không kiểm soát đƣợc nhƣ điều kiện môi trƣờng, sẽ gây ảnh hƣởng có hại đến từ biến.Những yếu tố về tính chất của kết cấu có thể kiểm soát đƣợc, sẽ hạn chế biến dạng từ biến có hại cho kết cấu. 1.2.4. Các ảnh hƣởng của từ biến đến bê tông và lên kết cấu bê tông cốt thép Từ biến làm thay đổi các biến dạng và ứng suất bên trong bê tông, có thể gây ra các vết nứt hay làm phân bố lại ứng suất bên trong bê tông, các ảnh hƣởng của ứng suất thay đổi tùy thuộc vào mỗi loại kết cấu khác nhau.
5 Từ biến làm cho độ võng của sàn tăng dần và vết nứt ngày càng mở rộng và có thể gây ra sự gãy cho các kết cấu cột lệch tâm. Trong kết cấu BTCT dự ứng lực, từ biến gây ra hiện tƣợng mất mát ứng suất trƣớc trong cốt thép kéo căng, do đó làm giảm ứng suất nén trƣớc trong bê tông. Trong các kết cấu siêu tĩnh, từ biến làm phân bố lại nội lực, làm tăng tính dẻo của bê tông, tính kéo và nén bị hạn chế, có ý nghĩa quan trong để nâng cao khả năng chống nứt của các kết cấu vỏ và kết cấu đặc biệt. Trong các kết cấu bê tông nhƣ đập, khi điều kiện nhiệt độ khác nhau ở bên trong và bề mặt đập, ảnh hƣởng của từ biến lên đập sẽ gây ra các hiện tƣợng nứt bên trong đập. Ảnh hƣởng của từ biến sẽ có lợi. Từ biến của bê tông dạng khối thực chất không ảnh hƣởng đến cƣờng độ, mặc dù dƣới ứng suất rất cao từ biến đẩy nhanh quá trình đạt đến biến dạng giới hạn mà tại đó sự phá huỷ xảy ra; điều này xảy ra khi tải trọng dài hạn vƣợt quá 85 hay 95% tải trọng tĩnh giới hạn gia tải nhanh. Dƣới ứng suất dài hạn nhỏ, thể tích của bê tông giảm (nhƣ theo từ biến có hệ số Poisson nhỏ hơn 0.5) và điều này có thể làm tăng cƣờng độ của bê tông. Tuy nhiên tác động này rất nhỏ. Từ biến có ảnh hƣởng lớn đến tính chất và cƣờng độ của kết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng suất trƣớc. Từ biến gây ra hiện tƣợng truyền dần tải trọng từ bê tông sang cốt thép. Khi cốt thép biến dạng lớn, phần tăng lên của tải trọng lại truyền sang bê tông. Trong kết cấu siêu tĩnh, từ biến có thể làm giảm sự tập trung ứng suất gây ra bởi co ngót, nhiệt độ thay đổi, hay sự dịch chuyển gối. Trong tất cả các kết cấu bê tông, từ biến làm giảm nội ứng suất do co ngót không đều của các bộ phận kết cấu, do đó làm giảm nứt. Mặt khác, trong khối bê tông, từ biến, có thể là nguyên nhân gây ra nứt khi trong khối bê tông chịu sự thay đổi theo chu kỳ của nhiệt độ gây ra bởi sự tăng nhiệt độ của phản ứng thuỷ hoá và sự giảm nhiệt từ từ. Sẽ có ứng suất nén gây ra bởi sự tăng nhanh nhiệt độ của khối bê tông bên trong. Ứng suất này thấp vì môđun đàn hồi của bê tông ở tuổi sớm thấp. Cƣờng độ của bê tông ở tuổi rất sớm cũng thấp do đó từ biến rất cao; điều này giảm nhẹ ứng suất nén và ứng suất nén biến mất ngay khi sự làm lạnh xảy ra. Trong quá trình làm lạnh tiếp theo, ứng suất kéo phát triển và bởi vì tốc độ từ biến
6 giảm theo thời gian, các vết nứt có thể xảy ra thậm chí trƣớc khi nhiệt độ giảm xuống tới nhiệt độ ban đầu (khi thi công). 1.3. Kết cấu sàn bê tông cốt thép 1.3.1. Khái niệm và phân loại sàn Kết cấu có dạng sàn phẳng bằng BTCT đƣợc dùng rộng rãi trong công trình xây dựng nhà cửa (sàn và mái), xây dựng cầu đƣờng (bản mặt cầu, mặt cầu cảng).Cấu kiện cơ bản của sàn phẳng là bản và, gối đỡ sàn có thể là tƣờng hoặc cột. Sàn BTCT đƣơc phân loại nhƣ sàn BTCT đổ toàn khối, sàn sƣờn lắp ghép, bán lắm ghép, …trong đó, sẽ phân ra các loại sàn BTCT cụ thể hơn. Ví dụ sàn BTCT toàn khối sẽ đƣợc phân ra hai loại là bản loại và bản kê bốn cạnh.Sàn thƣờng có bề dày khá nhỏ so với chiều rộng và chiều dài. Trong kết cấu nhà, sàn trực tiếp nhận tải trọng thẳng đứng để truyền xuống tƣờng và cột, sau đó là xuống móng; đồng thời sàn còn có vai trò rất quan trọng là vách cứng nằm ngang tiếp nhận tải trọng ngang (giá, động đất) để truyền vào các kết cấu thẳng đứng (khung, vách), qua đó truyền xuống móng. Sàn BTCT đƣợc dùng phổ biến và rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp.Nó có những ƣu điểm quan trọng nhƣ bền vững, có độ cứng lớn và khả năng chống cháy tốt, phù hợp với các yêu cầu kinh tế và tính thẩm mỹ.Tuy nhiên, khả năng cách âm không cao. Hình 1.4. Các loại sàn thƣờng gặp
7 1.3.2. Ứng xử chịu tải của sàn BTCT có xét đến từ biến Khi tải trọng tác dụng lên kết cấu, sàn BTCT hay các tấm chủ yếu chịu uốn. Sàn BTCT thƣờng chịu tải trực tiếp, do đó dễ gây ra các biến dạng lệch và tăng độ võng dẫn đến nứt, gãy, do đó việc kết hợp với sẽ làm tăng khả năng chịu tải làm cho kết cấu bền vững hơn. Để hạn chế các biến dạng gây ảnh hƣởng đến kết cấu, các đề tài nghiên cứu về độ lệch, độ võng của sàn đã và đang đƣợc tiến hành trong đó có xét đến hiện tƣợng từ biến của bê tông. Trong hàng loạt nghiên cứu về kết cấu liên quan đến từ biến, trong đó có các nghiên cứu xét đến ứng xử của sàn BTCT chịu ảnh hƣởng của từ biến, Bazant cùng với Zapata (1986) đã đƣa ra phƣơng pháp phân tích lực trong thời gian chịu tải và dịch chuyển của sàn gây ra độ lệch trong thời gian dài cho thấy sự ảnh hƣởng của từ biến lên sàn BTCT. 1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài Việc nghiên cứu hiện tƣợng từ biến của bê tông là một vấn đề hết sức phức tạp. Quá trình nghiên cứu thực nghiệm hiện tƣợng từ biến trên thế giới đã có từ rất lâu, với các loại vật liệu và hình dáng khác nhau. Các nghiên cứu bằng phƣơng pháp thực nghiệm về hiện tƣợng từ biến đã đƣợc công bố nhƣ Lyse I. (1960) đã kể đến những yếu tố ảnh hƣởng đến từ biến trong quá trình thực nhiệm nhƣ hình dạng của kết cấu, tính chất của bê tông và yếu tố môi trƣờng. Neville, A.M. (1981) dựa trên quan sát khoa học và kinh nghiệm kỹ thuật của tác giả, cung cấp thông tin đáng tin cậy, toàn diện và thực tiễn về tích chất của bê tông, đƣa ra những lựa chọn tốt nhất cho bê tông. Trong những năm gần đây, đã có những bài báo dự đoán từ biến của bê tông, Gambali và Shanagam (2014) thông qua độ tuổi và tỉ lệ thành phần của bê tông, với kết luận sử dụng lƣợng nƣớc tối thiểu cho hỗn hợp trộn bê tông và nêu ra ảnh hƣởng của từ biến gây ra nứt, mất khả năng dự ứng lực, gây hại đến kết cấu. Sakthivel và Ramakrishnan (2015) định nghĩa từ biến là biến dạng dẻo theo tải trọng, phụ thuộc chủ yếu vào thời gian, gây ra sự lệch cho kết cấu, kết luận giá trị biến dạng cực đại thu đƣợc ở giai đoạn tải ban đầu, tốc độ gia tăng biến dạng giảm dần theo thời gian.
8 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Tác giả Trần Ngọc Long và Lý Trần Cƣờng, (2016) đã tiến hành thí nghiệm biến dạng dài hạn của cột BTCT chịu nén đúng tâm tại trƣờng đại học Xây dựng và kết luận biến dạng từ biến của bê tông lớn hơn nhiều so với biến dạng co ngót và tổng biến dạng từ biến và co ngót sau 487 ngày lớn hơn gần 3 lần so với biến dạng tức thời. Đây là kết quả thí nghiệm đáng tin cậy của tác giả trong việc đánh giá hiện tƣợng từ biến, những công trình nghiên cứu liên quan có thể dựa vào kết quả này và tiếp tục phát triển. Bên cạnh đó, có những công trình đã và đang nghiên cứu có xét đến hiện tƣợng từ biến của bê tông gây ra bởi tải trọng kéo, uốn và xoắn hay liên quan đến khả năng chịu cắt và độ võng của kết cấu. Nghiên cứu của tác giả Đặng Vũ Hiệp (2017) sử dụng phƣơng pháp dự báo độ võng của dầm BTCT kể đến ảnh hƣởng của từ biến dựa trên tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 (EC2) so sánh với kết quả sử dụng phần mềm.Nghiên cứu của tác giả cho thấy những mặt đa dạng trong việc nghiên cứu hiện tƣợng từ biến, đƣa ra những sai số cụ thể giữa các phƣơng pháp, giúp cho việc nghiên cứu hiện tƣợng từ biến sau này. 1.5. Lý do chọn đề tài Các kết cấu chịu tải trọng uốn nhƣ sàn bê tông cốt thép luôn làm việc trong thời gian dài. Khi các kết cấu này chịu sự tác dụng của tải trọng lâu dài, hiện tƣợng từ biến của các vật liệu nhƣ bê tông sẽ gây ảnh hƣởng đáng kể đến độ bền kết cấu và là nguyên nhân chính hình thành và phát triển các vết nứt tế vi. Đồng thời, từ biến cũng làm ảnh hƣởng đến biến dạng, độ võng và sự phân bố ứng suất trên kết cấu sàn, gây ra những nguy hiểm cho công trình. Vì vậy, việc phân tích độ võng của sàn bê tông cốt thép dƣới tác dụng của tải trọng dài hạn sẽ đảm bảo đƣợc sự an toàn cho kết cấu khi làm việc trong một giai đoạn lâu dài. Vấn đề này luôn đƣợc quan tâm trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt đối với các kết cấu chống đỡ chính nhƣ sàn. Đề tài này rất phù hợp với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của Việt Nam hiện nay nói chung và ngành xây dựng nói riêng, khi mà yếu tố vững chắc và an toàn cho công trình luôn đƣợc đặt lên hàng đầu. 1.6. L i ích của đề tài 1.6.1. L i ích khoa học
9 Các kết quả mô phỏng của luận văn sẽ cung cấp một cách nhìn toàn diện hơn về hiệu quả của việc áp dụng phƣơng pháp số phân tích ứng xử sàn bê tông cốt thép dƣới tác dụng của tải trọng dài hạn. Ngoài ra, luận văn cũng cung cấp một qui trình mô phỏng bài toán từ biến theo thời gian thông qua mô hình vật liệu thích hợp. 1.6.2. L i ích thực tiễn Việc áp dụng phƣơng pháp số thông qua các chƣơng trình tính toán hiện đại để mô phỏng, phân tích độ võng kết cấu sàn bê tông cốt thép giúp ta tiết kiệm đƣợc chi phí thử nghiệm, kiểm chứng trong thực tế. Bên cạnh đó, dựa vào kết quả mô phỏng đƣợc, ta có thể đề xuất ra những phƣơng ánthiết kế, bố trí cốt thép tốt hơn cho kết cấu sàn bê tông. 1.7. Mục tiêu, đối tƣ ng và phạm vi nghiên cứu 1.7.1. Mục tiêu tổng quát Áp dụng phƣơng pháp số đểphân tích độ võng kết cấu sàn bê tông cốt thép dƣới tác dụng tải trọng dài hạn. 1.7.2. Mục tiêu cụ th Cụ thể, mục tiêu của đề tài này nhƣ sau: - Mục tiêu 1: Nghiên cứu lý thuyết phần tử hữu để phân tích ứng xử cơ học kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng dài hạn. - Mục tiêu 2: Mô phỏng quá trình võng xuống củasàn bê tông cốt thép khi chịu tải trong thời gian dài  Mục tiêu 2.1: lựa chọn mô hình từ biến vật liệu hợp lý, xây dựng đƣờng cong suy giảm độ bền theo thời gian cho bê tông.  Mục tiêu 2.2: thiết lập đƣợc các thông số thích hợp để giải bài toán phi tuyến vật liệu có xét đến yếu tố thời gian trong phần mềm ANSYS  Mục tiêu 3: Kiểm chứng kết quả, đề xuất những phƣơng án bố trí cốt thép tốt hơn cho kết cấu sàn.