Mô hình hóa nút khung biên bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:3

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong kết cấu khung bê tông cốt thép (BTCT), nút khung đóng một vai trò quan trọng trong việc truyền lực giữa các cấu kiện dầm và cột, đặc biệt là với các công trình được thiết kế chịu động đất. Trong khi hiểu biết về ứng xử các cấu kiện cột và dầm BTCT đã rất rõ ràng, ứng xử của nút khung BTCT là một vấn đề phức tạp và ít được nói đến hơn. Để đảm bảo an toàn, nguyên tắc thiết kế khung BTCT là mong muốn phá hoại bắt đầu từ dầm, cột và cuối cùng là nút khung.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mô hình hóa nút khung biên bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0 MÔ HÌNH HÓA NÚT KHUNG BIÊN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Chu Tuấn Long Trường Đại học Thủy lợi 1. GIỚI THIỆU CHUNG ABAQUS cho phép đánh giá sự làm việc của nút khung được cấu tạo theo quy định theo Trong kết cấu khung bê tông cốt thép TCVN qua các thời kỳ khác nhau như đã (BTCT), nút khung đóng một vai trò quan trình bày ở trên. trọng trong việc truyền lực giữa các cấu kiện dầm và cột, đặc biệt là với các công trình 2. MÔ HÌNH HÓA NÚT KHUNG BIÊN được thiết kế chịu động đất. Trong khi hiểu biết về ứng xử các cấu kiện cột và dầm BTCT Mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều nút đã rất rõ ràng, ứng xử của nút khung BTCT là khung biên BTCT có kể đến sự làm việc phi một vấn đề phức tạp và ít được nói đến hơn. tuyến của vật liệu bê tông và cốt thép được Để đảm bảo an toàn, nguyên tắc thiết kế khung xây dựng trên phần mềm ABAQUS phiên BTCT là mong muốn phá hoại bắt đầu từ dầm, bản 6.14. Mô hình được kiểm chứng bằng kết cột và cuối cùng là nút khung. quả nghiên cứu thực nghiệm của Pantelides Hiện tại các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê và đồng sự [1]. tông và BTCT ở Việt Nam gồm nhiều phiên bản theo các năm, được chuyển dịch từ tiêu chuẩn Nga, cụ thể: (i) TCVN 5574:1991; (ii) TCVN 5574:2012; (iii) tiêu chuẩn mới phát hành TCVN 5574:2018 quy định về chiều dài neo cốt thép được thay đổi theo hướng gần giống của Eurocode. Ngoài ra, TC thiết kế kháng chấn TCVN 9386:2012 được chuyển dịch từ tiêu chuẩn Eurocode quy định chiều Hình 1. Bố trí thí nghiệm nút khung biên dài neo cốt thép cần tuân theo EN 1992-1- của Pantelides và đồng sự [1] 1:2004. Như vậy, quy định của TCVN về nút khung chưa đồng bộ và do đó đã gây khó khăn cho các kỹ sư trong thực hành tính toán thiết kế và cấu tạo nút khung cũng như đánh giá sự làm việc các kết cấu khung BTCT đã có sẵn. Mô hình phần tử hữu hạn nút khung BTCT đã được xây dựng và nghiên cứu trên thế giới những năm gần đây, và cho kết quả đáng tin cậy. Trong bối cảnh đó, xây dựng mô hình phần tử hữu hạn nút khung biên BTCT chịu Hình 2. Kích thước và cấu tạo nút khung biên tải trọng ngang đẩy dần sử dụng phần mềm trong thí nghiệm của Pantelides và đồng sự [1] 184
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0 Trong thí nghiệm này, các tác giả đã thực 2.2. Mô hình vật liệu hiện thí nghiệm đẩy ngang tại đầu dầm một 2.2.1. Cốt thép nút khung với bố trí thí nghiệm như Hình 1, cấu tạo và kích thước nút khung như Hình 2. Mô hình vật liệu đàn dẻo trong thư viện Nút khung được chế tạo từ bê tông có cường vật liệu ABAQUS được sử dụng để mô độ phá hoại  cu  46.2MPa , các đặc trưng phỏng tính chất vật liệu của cốt thép. Đường ứng suất - biến dạng của thép được xác định cốt thép như trong Bảng 1. thông qua mô đun đàn hồi Es và cường độ Bảng 1. Đặc trưng cốt thép [1] chịu kéo fy. Mô đun đàn hồi của cốt thép thông thường được lấy là 210GPa. Mô hình Cốt thép Đường kính σy (Mpa) σu (Mpa) này có thể sử dụng được cho cả ứng xử kéo Thép dầm #9(28.65mm) 454.4 746 và nén của cốt thép. Thép cột #7(22.23mm) 469.5 741.9 2.2.2. Bê tông Thép đai #3(9.53mm) 427.5 654.3 Mô hình bê tông phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity - CDP) [2] được sử dụng 2.1. Loại phần tử và chia lưới để mô tả tính chất vật liệu ở cả vùng kéo và Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R nén của bê tông. trong thư viện vật liệu của ABAQUS là dạng Thông số cụ thể của mô hình CDP được phần tử khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính được lấy từ kết quả thực nghiệm hoặc tính toán từ gán cho các phần tử bê tông. Các thanh cốt cường độ chịu nén lớn nhất  cu của bê tông thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình theo các công thức thực nghiệm. Có rất nhiều phần tử dạng khối (solid), dạng dầm (beam) cách xác định đặc trưng cho mô hìn h CDP hoặc dạng thanh (truss). Phần tử dạng khối khác nhau đã được sử dụng. Bài báo này sử cho phép mô phỏng chính xác sự làm việc dụng các công thức do [3] đề xuất. Trong đó của cốt thép và tương tác bê tông - cốt thép bê tông làm việc chịu nén đàn hồi đến ứng nhưng sẽ làm tăng khối lượng tính toán. Phần suất 0.5 cu , sau đó quan hệ ứng suất - biến tử phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô phỏng cốt thép. Tương tác bê tông - cốt dạng theo công thức thực nghiệm : thép được mô hình bằng dạng tương tác   c  0  c    cu nhúng (embeddement) với giả thiết dính bám   1   c  0  giữa bê tông và cốt thép là tuyệt đối. Trong đó đại lượng β và ε0 là biến dạng tại đỉnh được xác định theo công thức như sau: 1  1   cu /   0 E0    0  8.9 10 5  cu  2.114 103 Mô đun đàn hồi của bê tông E0 được xác Hình 3. Chia lưới mô hình và điều kiện biên định theo công thức sau: E0  1.2431 102  cu  3.28312 103 Hình 3 thể hiện mô hình nút khung biên Trong các công thức trên, đơn vị của các gồm bê tông, cốt thép dọc và cốt thép đai đã đại lượng  cu ,  u , E0 là kip/in2 (1 MPa = được chia lưới. Ảnh hưởng kích thước phần tử khi chia lưới được đánh giá bằng 3 mô 0.145037743 kip/in2). hình có kích thước phần tử từ 20, 50 và Ứng xử của bê tông khi chịu kéo cũng được 100mm. Kết quả tính toán cho thấy chia lưới xác định từ cường độ chịu nén lớn nhất  cu của phần tử với kích thước 50mm cho phép tính bê tông do thiếu các thông số thực nghệm. toán nhanh mà vẫn đảm bảo được độ chính Cường độ chịu nén lớn nhất (gây nứt) của bê xác của kết quả. tông được xác định theo công thức sau: 185
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0  t  0.33  cu Mô hình có thể được sử dụng để mở rộng nghiên cứu về ứng xử của nút khung BTCT. Hình 4. Số liệu đường cong ứng suất - biến dạng dùng cho mô hình CDP - ABAQUS [5] Hình 5. Biểu đồ Lực - chuyển vị đầu dầm so Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm khi chịu kéo lấy theo [4]. Bên cạnh đó, mô hình CDP sử dụng 5 thông số để mô tả quá trình hình thành và dạng phá hoại dẻo. Giá trị của những thông số này được lấy theo khuyến cáo trong hướng dẫn sử dụng phần mềm Abaqus [5]. 2.3. Điều kiện ràng buộc Điều kiện biên được đặt vào mô hình tương ứng với thí nghiệm kiểm chứng (Hình 2) tương ứng như trong Hình 3 trong đó hai đầu cột được liên kết khớp, đỉnh cột bố trí một lực Hình 6. Một số đặc trưng quan trọng của nút nén tương đương 10% khả năng chịu nén của khung tại các thời điểm phá hoại chính cột (69.85kN) và đầu dầm được gia tải tĩnh đẩy dần. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO Quá trình gia tải trong phần mềm được [1] C. P. Pantelides, C. Clyde, and L. D. thực hiện thành hai bước, bước một đặt lực Reaveley, “Performance - Based Evaluation nén lên đầu cột, sau đó duy trì lực nén đó. of Reinforced Concrete Building Exterior Việc gia tải đẩy dần lên đầu dầm được thực Joints for Seismic Excitation,” Earthq. hiện ở bước thứ 2 sau đó. Spectra, vol. 18, no. 3, pp. 449 - 480, Aug. 2002, doi: 10.1193/1.1510447. 3. KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH [2] “Abaqus/CAE User’s Guide,” p. 1146. [3] L. S. Hsu and C. - T. T. Hsu, “Complete Từ kết quả thực nghiệm, Pantelides và stress - strain behaviour of high-strength đồng sự đã chỉ ra 3 thời điểm phá hoại chính concrete under compression,” Mag. Concr. của nút khung tương ứng như trên Hình 5. Res., vol. 46, no. 169, pp. 301–312, Dec. Những thời điểm phá hoại quan trọng của nút 1994, doi: 10.1680/macr.1994.46.169.301. [4] A. Belarbi and T. T. C. Hsu, “Constitutive (điểm A và B) theo mô tả trong nghiên cứu Laws of Concrete in Tension and thực nghiệm [1] cũng được thể hiện trên mô Reinforcing Bars Stiffened By Concrete,” hình (Hình 5, Hình 6). Struct. J., vol. 91, no. 4, pp. 465–474, Jul. 1994, doi: 10.14359/4154. 4. KẾT LUẬN [5] B. Wahalathantri, D. Thambiratnam, T. Chan, Mô hình phần tử hữu hạn nút khung chịu and S. Fawzia, “A Material Model for Flexural Crack Simulation in Reinforced tải trọng ngang đẩy dần cho kết quả tính toán Concrete Elements Using ABAQUS,” sát với kết quả thực nghiệm đã được công bố. Apr. 2011. 186