Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Mô phỏng ứng xử rạn nứt của cột bê tông cốt thép được gia cường bởi các tấm thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ TUẤN PHONG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ RẠN NỨT CỦA CỘT BÊ

TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI CÁC

TẤM THÉP 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 - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ TUẤN PHONG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ RẠN NỨT CỦA CỘT BÊ

TÔNG CỐT THÉP ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI CÁC

TẤM THÉP 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 - 2020

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 Tuấn Phong

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 Tuấn Phong

iii Tóm tắt luận văn

Luận văn nghiên cứu ứng xử cột bê tông cốt thép trước và sau khi gia

cường thép tấm bằng phương pháp phần tử hữu hạn và so sánh với kết quả thực

nghiệm, bao gồm bốn chương. Chương 1 trình bày tổng quan về tình trạng sử

dụng và hư hỏng của kết cấu BTCT cũng như tính cập thiết của việc sửa chữa

gia cường kết cấu BTCT ở nước ta, tổng quan một số phương pháp nghiêm cứu

gia cường. Tập trung chủ yếu phương pháp gia cường kết cấu BTCT bởi tấm

thép. Chương 2 trình bày những ứng xử cơ bản của vật liệu bê tông cốt thép và

nội dung của phương pháp số trong tính toán phân tích kết cấu BTCT. Để kiểm

nghiệm kết quả tính toán với phương pháp số. Mục đích của việc tính toán này

là xác minh độ tin cậy của luận án của việc phân tích mô hình kích thước của

mô hình một cách đúng đắn. Chương 3 tập trung phương pháp xây dựng mô

hình và xuất quả kết của tính toán trên phần mềm chuyên mô phỏng, từ đó rút ra

nhận xét kết quả từng phương pháp gia cường. Chương 4 rút ra kết luận của

phương pháp gia cường và phương pháp phân tích kết cấu BTCT trên phần mềm

chuyên tính toán.

FINITE ELEMENT ANALYSIS FOR BEHAVIOR OF REINFORCED

CONCRETE COLUMNS STRENGTHENED BY STEEL PLATE

The dissertation studied the behavior of reinforced concrete columns before

and after reinforcing steel plates by finite element method and compared with

experimental results, including four chapters. Chapter 1 presents an overview of

the use and damage of reinforced concrete structures as well as the necessity of

repairing and reinforcing reinforced concrete structures in our country, an

overview of some rigorous research methods. Focus mainly reinforced method

reinforced concrete structures by steel plates. Chapter 2 presents the basic

behaviors of reinforced concrete materials and the content of numerical methods

in calculating and analyzing reinforced concrete structures. To test the

calculation results with numerical methods. The purpose of this calculation is to

verify the reliability of the thesis by properly analyzing the size model of the

model. Chapter 3 focuses on modeling methods and outputs the results of

calculations on specialized simulation software, from which the results of each

reinforcement method are drawn. Chapter 4 draws conclusions of reinforced

method and method of reinforced concrete structure analysis on specialized

software.

v MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i

TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................. ii

MỤC LỤC ....................................................................................................... iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... v

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................ 1

1.1. Giới thiệu đề tài. ................................................................................................... 1

1.2. Mục tiêu nghiên cứu. ............................................................................................ 1

1.3. Một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT. ..................................................... 1

1.3.1 Tóm tắt một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT [3]. ................................. 1

1.3.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng thép tấm. ........................................ 2

1.3. Phương pháp nghiên cứu. ...................................................................................... 3

1.4. Đối tượng nghiên cứu. .......................................................................................... 4

1.5. Tính cần thiết của đề tài. ....................................................................................... 4

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

1.7. Một số đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước. ...................................................... 5

1.8. Dự kiến kết quả đạt được. ..................................................................................... 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 7

2.1. Xác định đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép sử dụng trong Ansys. .................. 7

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép. ......................... 12

2.3. Tiêu chuẩn nứt bê tông ........................................................................................ 16

2.4. Tóm tắt chương 2. ............................................................................................... 25

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ...................................................................... 26

3.1. Các số liệu liên quan đến mô hình. ...................................................................... 26

3.2. Xây dựng mô hình ANSYS. ................................................................................ 28

3.3. Chia lưới mô hình. .............................................................................................. 29

3.4. Kết quả xây dựng mô hình ANSYS..................................................................... 31

3.5. Thiết lập điều kiện biên. ...................................................................................... 33

3.5.1 Điều kiện biên. .................................................................................................. 33

3.5.2 Điều kiện biên về chuyển vị. ............................................................................. 34

3.5.4 Điều kiện về lực. ............................................................................................... 34

3.6. Kết quả. ...................................................................................................... 35

3.6.1 Kết quả nứt và chuyển vị. .................................................................................. 35

3.7. Nhận xét kết quả. ................................................................................................ 43

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ......................................................................................... 46

4.1. Kết luận. ...................................................................................................... 46

4.2. Ưu điểm và khuyết điểm. .................................................................................... 46

4.2.1 Ưu diểm: ...................................................................................................... 46

4.2.2 Nhược điểm: ..................................................................................................... 46

PHỤ LỤC A ...................................................................................................... 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 55

vii DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1Minh họa phương pháp gia cường cột BTCT bằng tấm thép [4]. ................... 3

Hình 1. 2 Thép góc đều cạnh dùng trong gia cường [5]. ............................................... 3

Hình 1. 3 Kết cấu cột BTCT bị phá hủy [1].................................................................. 6

Hình 2. 1 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Todeschini. .............. 9

Hình 2. 2 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Kent và Park. ......... 10

Hình 2. 3 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Popovics. ............... 11

Hình 2. 4 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo EC2. ....................... 12

Hình 2. 5 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Kachlakev. ............. 13

Hình 2. 6 Dạng hình học của phần tử SOLID65. ........................................................ 14

Hình 2. 7 Dạng hình học của phần tử link 180. .......................................................... 15

Hình 2. 8 Mô hình Smeared. ...................................................................................... 16

Hình 2. 9 Mô hình Embeded. ..................................................................................... 16

Hình 2. 10 Mô hình Discrete. ..................................................................................... 17

Hình 2. 11 Các mô hình nứt bê tông........................................................................... 18

Hình 2. 12 Bề mặt phá hủy 3-D trong không gian ứng suất chính. ............................. 21

Hình 2. 13 Mặt cắt của bề mặt phá hoại. .................................................................... 22

Hình 2. 14 Bề mặt phá hủy trong không gian ứng suất chính. .................................... 24

Hình 2. 15 SOLID185 Cấu trúc rắn 3-D. .................................................................... 25

Hình 2. 16 Đầu ra ứng suất SOLID185. ..................................................................... 26

Hình 3. 1 Bản vẽ kích thước cột BTCT [2]. ............................................................... 31

Hình 3. 2 Mô hình ANSYS của cột. ........................................................................... 34

Hình 3. 3 Bố trí cốt thép............................................................................................. 34

Hình 3. 4 Chia lưới phần tử bê tông. .......................................................................... 35

Hình 3. 5 Chia lưới phần tử cốt thép. ......................................................................... 35

Hình 3. 6 Mô hình Col.00. ......................................................................................... 36

Hình 3. 7 Mô hình Col.L.3P. ...................................................................................... 36

Hình 3. 8 Mô hình Col.02.L.6P .................................................................................. 37

Hình 3. 9 Mô hình Col.03.C.3P. ................................................................................. 37

Hình 3. 10 Mô hình Col.04.C.6P. ............................................................................... 38

viii

Hình 3. 11 Mô hình Col.05.Pl. ................................................................................... 38

Hình 3. 12 Điều kiện biên về chuyển vị của cột. ........................................................ 39

Hình 3. 13 Lực Pressure trên cột. ............................................................................... 39

Hình 3. 14 Kết quả nứt mô hình Col.00 ..................................................................... 40

Hình 3. 15 Kết quả chuyển vị mô hình Col.00 (mm). ................................................. 41

Hình 3. 16 Kết quả nứt mô hình Col.01.L.3P. ............................................................ 42

Hình 3. 17 Kết quả chuyển vị mô hình Col.01.L.3P (mm).......................................... 42

Hình 3. 18 Kết quả nứt mô hình Col.02.L.6P. ............................................................ 43

Hình 3. 19 Kết quả chuyển vị mô hình Col.02.L.6P (mm).......................................... 43

Hình 3. 20 Kết quả nứt mô hình Col.03.C.3P. ............................................................ 44

Hình 3. 21 Kết quả chuyển vị mô hình Col.03.C.3P (mm). ........................................ 44

Hình 3. 22 Kết quả nứt mô hình Col.04.C.6P. ............................................................ 45

Hình 3. 23 Kết quả chuyển vị mô hình Col.04.C.6P (mm). ........................................ 45

Hình 3. 24 Kết quả nứt mô hình Col.05.Pl. ................................................................ 46

Hình 3. 25 Kết quả chuyển vị mô hình Col.05.C.Pl (mm). ......................................... 47

Hình 3. 26 Kết quả chuyển vị của tất cả mô hình trên ANSYS. .................................. 47

ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tên đầy đủ Ý nghĩa

BTCT Bê tông cốt thép

PTHH Phần tử hữu hạn

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số vật liệu [2]. .................................................................................. 32

Bảng 3.2 Tóm tắt kết quả chuyển vị mô hình trên ANSYS. ....................................... 48

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu đề tài.

Kết cấu cột BTCT được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, làm kết cấu chịu

lực của nhà, cầu, các công trình cấp thoát nước, và các công trình dân dụng.

BTCT ngày càng tỏ ra chiếm ưu thế trong các lĩnh vực xây dưng, nhờ vào các

tiến bộ kỹ thuật, các khuyết điểm của BTCT truyền thống dần được khắc phục, các ưu

điểm được phát huy một cách tốt đa của kết cấu BTCT ở nhiều dạng công trình khác

nhau. Vì vậy, việc nghiên cứu tính toán, lựa chọn các thông số hình học, vật liệu cho

cột BTCT nhằm đem lại hiệu quả cao về kết cấu, kinh tế.

Trong quá trình sử dụng kết cấu cột BTCT thường xảy ra hiện tượng nứt kết cấu,

nên việc nghiên cứu sự hình thành vết nứt trong kết cấu cột BTCT là rất cần thiết.

Vì vậy tác giả chọn đề tài mô phỏng sự hình thành vết nứt trong kết cấu sàn bê

tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu.

Tìm ra phương pháp gia cường cột BTCT tối ưu hóa sức bền và hạn chế sự phá

hủy của cột BTCT. Bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm ANSYS để biết

trước kết quả dự kiến cho nghiên cứu. Từ đó, rút ra các kết quả chính xác nhất trong

khoảng cho phép.

1.3. Một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT.

1.3.1 Tóm tắt một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT [3].

Có nhiều phương pháp gia cường kết cấu. Một trong những phương pháp hiệụ

quả là bổ sung một lớp bê tông đổ tại ở vùng chịu nén hoặc BTCT có hàm lượng cốt

thép cao ở vùng chịu chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay đòn hay khoảng

cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trong vùng chịu kéo. Ngoài ra, phương

pháp này thương kết hợp với bổ sung thêm cốt thép và phun vữa bê tông bảo vệ ở

vùng chịu kéo. Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng đáng kể trọng lượng

cũng như chiều cao của kết cấu. Việc thi công cũng không được sạch sẽ và tạo tiếng

ồn cũng như tác động đến mô trường.

Phương pháp nổi bật nữa là việc sử dụng cáp dự ứng lực ngoài. Theo đó, một số

ụ neo được làm mới và gắn vào kết cấu cần gia cường. Các cáp dự ứng lực ngoài được

kéo và neo vào các ụ neo này. Việc gia cường bằng phương pháp sử dụng lực ngoài

đưc kéo và neo các ụ dụng cho các kết cấu kích thước lớn, ví dụ như dần cầu.

Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite. Ở phương pháp này người

ta sử dụng các tấm composite ở dạng tấm áp quang kết cấu được gia cường. Phương

pháp này có nhiều ưu điểm: không tăng kịch thước cũng như chiều cao kết cấu, vật

liệu composite nhẹ, không bị rỉ và có cường độ chịu kéo cao. Hơn nữa nhưng vật liệu

này có thể được thi công nhanh chóng theo một ố hình dạng tạo thành các tấm

composite có thể uốn cuộn phù hợp với các bề mặt của cấu kiện. Các tấm vật liệu

composite có bề dày tương đối mỏng có thể thỏa mãn yêu cầu về mặt kiến trúc cũng

như những chỉ tiêu liên quan. Việc thi công không phức tạp, thiết bị thi công gọn nhẹ.

Tuy nhiên, bên cạnh các ưu điểm ở phương pháp này có nhiêu ưu điểm mà ít phổ biến

ở nước ta là: giá thành cao hơn so với giá thành các tấm thép, thi công cũng đòi hỏi

người có kỹ thuật cao, không bù hợp với kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng nhiệt độ

cao các keo dính có nhiều vấn đề. Đồng thời, các tiêu chuẩn tấm composite ở nước ta

còn thiếu đầy đủ và phổ biến

1.3.2 Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng thép tấm.

Là sử dụng với tấm thép để tạo nên hệ thống kết cấu giữa cốt thép và bê tông cột

BTCT (Hình 1.1). Phương pháp này có nhều ưu điểm vượt trội: thích hợp với phần lớn

kết cấu cột với nhưng công trình trong nhà chịu ít tác động xấu của môi trường, có

hiệu quả cao trong việc chống nứt bê tông và tăng khả năng chịu tải trọng lớn. Đông

thời, phương pháp này không làm thay đổi kích thước của như chiêu cao của kết cấu

BTCT. Giá thành sản phẩm tương đối thấp so với tấm composite, việc thi công khá

đơn giản vì thép là vật liệu được sử dụng lâu đời ở nước ta. Bên cạnh các ưu điểm thì

phương pháp này cũng khuyết điểm như là: ở các công trình ngoài trời chịu ảnh hưởng

nhiều bởi thời tiết dẫn đến hiện tượng rỉ, tiêu hao một lượng thép lớn so với các

phương pháp khác.

Hình 1. 1Minh họa phương pháp gia cường cột BTCT bằng tấm thép [4].

Hình 1. 2 Thép góc đều cạnh dùng trong gia cường [4].

1.4. Phương pháp tính toán gia cường cột BTCT bằng thép hình

Tính khả năng chịu lực của cột sau gia cường Đối với các cột chịu nén đúng tâm Ta

có công thức:

(1.1)

(1.2)

Nq - lực dọc quy đổi;

Nl - lực dọc tính toán cho phần tải trọng dài hạn

ml - hệ số ảnh hưởng của tải trọng dài hạn đến khả năng chịu lực của kết cấu mảnh

m0 - hệ số điều kiện làm việc của thanh chống.

Hình 1.3. Sơ đồ tính toán gia cường cột chịu nén lệch tâm lớn bằng thép hình

Việc gia cường cột bằng các thanh chống ở một phía chịu nén của cột phụ thuộc

vào vị trí của lực nén tính toán ở phía ngoài tiết diện cột hay ở trong tiết diện đó. Cột

chịu nén lệch tâm lớn là khi vùng nén xh > 0,55h0. Điều kiện cân bằng lực cho:

(1.3)

Trong đó: F0 - Lực tác dụng lên mỗi cặp thép góc chống tăng cường, được xác định

tùy vào trường hợp cột nén đúng tâm hay lệch tâm; Chiều cao vùng nén x xác định bằng

phương trình cân bằng momen đối với trục lực dọc N

Sau khi tính được x, thì áp dụng công thức trên để tính khả năng chịu lực của cột

được gia cường. Đối với các cột chịu nén lệch tâm nhỏ: Cột chịu nén lệch tâm nhỏ khi

x > 0,55h0 , được gia cường bằng cặp thanh chống ở một phía của cột. Cân bằng ngoại

mô men và nội mô men, lấy đối với cốt thép chịu lực nhỏ nhất As

(1.4)

Đối với các cột chịu nén đúng tâm: Nội lực N0 của thanh chống bằng hiệu giữa tổng

tải trọng N mà cột phải chịu sau gia cường và khả năng chịu lực giới hạn Ngh của cột

trước gia cường

(1.5)

Ngh – Tải trọng tối đa mà cột chịu được khi chưa gia cường

(1.6)

(1.7)

1.5. Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp nghiêm cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liên quan được công bố qua tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế trong và ngoài nước.

Phương pháp nghiên cứu mô hình: Nghiên cứu được thực hiện trên 6 mô hình cột BTCT với kích thước 200 × 200 × 1200 (mm) với các phương án gia cường khác nhau. Ngoài ra, các tấm thép tải các nhiều kích thước khác nhau được bố trí hợp lí để gia cường cột BTCT có bè dày 5 mm.

Phương pháp mô hình tính toán: Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán kết cấu BTCT, với việc lựa chọn mô hình hợp lí và chính xác của các phần tử. Từ đó, sử dụng phương pháp mô phỏng (FEM) để giải quyết các bài toán phức tạp trở nên chính xác nhất.

1.6. Đối tượng nghiên cứu.

Kết cấu cột bê tông cốt thép (BTCT) trong những công trình đã qua sử dụng lâu

năm bị xuống cấp do tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau như: tải trọng, khí hậu,

hoá chất ăn mòn, sự cố. Hay những công trình bị hư hỏng do những sai sót trong các

khâu khảo sát, thiết kế hoặc thi công hoặc do nhu cầu thay đổi về sử dụng như cải tiến

công nghệ, đổi mới thiết bị, thay đổi công năng dẫn đến thay đổi sơ đồ kết cấu, thay đổi

tải trọng và những công trình có nhu cầu mở rộng như mở rộng mặt bằng, nâng thêm

chiều cao, thêm tầng… cần phải được gia cường, sửa chữa bằng các phương pháp khác

nhau.

Hình 1. 3 Kết cấu cột BTCT bị phá hủy [1].

1.7. Tính cần thiết của đề tài.

Kết cấu cột BTCT là loại kết cấu được sử dụng phổ biến trong các công trình xây

dựng hiện nay. Nhiều đề tài nghiên cứu về sự làm việc của các kết cấu cột BTCT. Các

nghiên cứu về ứng xử của kết cấu cột BTCT làm việc chịu uốn thường được tiến hành

bằng các phương pháp như nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu

mô phỏng....

Hiện nay phương pháp mô phỏng số (Numerical Simulation Method) dựa trên cơ

sơ phương pháp phần tử hữu hạn (FEM-Finite Element Method) nhằm nghiên cứu sự

làm việc của kết cấu BTCT là một phương pháp nghiên cứu hiệu quả, hợp lý. Bên cạnh

các chương trình mô phỏng được các nhà nghiên cứu tự xây dựng thì hiện nay, các

chương trình phân tích kết cấu như ANSYS, ABAQUS, DIANA, MIDAS... đáp ứng

được các yêu cầu cho việc nghiên cứu sự làm việc ở các giai đoạn đàn hồi, sau đàn hồi,

và phá hoại.

Ở nước ta hiện nay, chương trình ANSYS đã được ứng dụng trong công tác mô

phỏng sự làm việc của kết cấu công trình xây dựng. Một số tài liệu, sách hướng dẫn ở

mức độ cơ bản việc sử dụng phần mềm ANSYS đã được xuất bản tuy nhiên việc áp dụng

phần mềm này trong việc mô phỏng sự làm việc của kết cấu BTCT còn rất hạn chế,

người sử dụng còn gặp nhiều khó khăn. Điều này xuất phát từ những vấn đề chính như:

ứng xử của kết cấu BTCT được tạo thành bởi bê tông và thép, là phức tạp chịu ảnh

hưởng của nhiều tham số khác nhau, các tài liệu liên quan đến mô phỏng kết cấu BTCT

trong ANSYS còn rất hạn chế.

Từ những thực tế trên, việc nghiên cứu, áp dụng phần mềm ANSYS trong việc mô

phỏng sự làm việc của kết cấu BTCT là rất cần thiết, là cơ sở cho các công tác nghiên

cứu kết cấu BTCT cần sử dụng phần mềm này trong công tác mô phỏng.

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

Kết cấu BTCT được sử dụng rộng rãi ở nhiều công trình yêu cầu chịu tải lớn, bị

tác động bởi nhiều tác nhân gây xấu của môi trường xâm hại,…Do vậy chất lượng

BTCT suy giảm nhanh chóng theo thời gian, kết cấu bị hư hỏng dẫn đến tuổi thọ của

công trính ngắn hơn do với dự kiến thiết kế. Việc gia cường kết cấu BTCT là cần thiết.

Hiệu quả của phương pháp gia cường tính toán kết cấu BTCT và phạm vi hiệu

quả của từng phương pháp là khác nhau. Chính vì vậy vấn đề nghiên cứu của luận án

có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao.

1.9. Một số đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước.

Phùng Ngọc Dũng, Lê Thị Thanh Hà, Phân tích và thiết kế dầm bê tông cốt thép

chịu uốn trên tiết diện nghiêng theo ACI 318, EUROCODE 2 và TCVN 5574:2012,

Tạp chí KHCN xây dựng số 3/2014.

Phan Quang Minh và các tác giả, Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ

bản, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2014.

Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, TCVN5574-

2012, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2012.

Một số phương pháp gia cường kết cấu cột BTCT, Nguyễn Vĩnh Sáng.

Behavior of reinforced concrete columns strengthened by jacket, 2014.

ACI Committee 318 (2008), Building Code Requirementsfor Structural Concrete

(ACI 318-08) and Commentary (318R-08). Farmington Hills: American Concrete

Institute.

Abdul Ghaffar, Development of shear capacity equations for rectangular

reinforced concrete beam, Pak. J. Engg. & Appl. Sci. Vol 6, Jan, 2010 (p1-8)

Bentz, E.C., Vecchio, F.J., & Collins, M.P. (2006). Simplified Modified

Compression Field Theory for Calculating Shear Strength of Reinforced Concrete

Elements, ACI Structural Journal, v.103, n.4, pp.614 - 624.

Collins, M.P., & Vecchio, F.J. (1986). The Modified Compression Field Theory

for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear, ACI Journal, v.83, n.2, pp.219-

231.

1.8. Dự kiến kết quả đạt được.

Xác minh độ chính xác độ tin cậy của luận án thông qua kết quả nứt và chuyển vị

của cột BTCT, thông qua so sánh kết quả thí nghiệm có sẵn.

Chọn ra phương pháp bố trí tấm thép gia cường cho cột BTCT để đạt được chịu

tải tốt nhất. Đồng thời, tránh tối đa sự chuyển vị lớn của bê tông dẫn đến sự phá hủy.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Xác định đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép sử dụng trong Ansys.

(cid:153) Đặc trưng cơ học của bê tông trong và ngoài miền đàn hồi (trước khi

phá hoại).

Các đặc trưng cơ học của bê tông trong giai đoạn đàn hồi là: cường độ chịu nén,

môđun đàn hồi. Đặc trưng cơ học của bê tông ngoài miền đàn hồi được thể hiện qua

đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng.

Bê tông là vật liệu giòn, có ứng xử khác nhau khi chịu kéo và nén. Cường độ chịu

kéo của bê tông khoảng 8-15% cường độ chịu nén. Đồ thị dưới đây trình bày đường cong

quan hệ ứng suất - biến dạng cho bê tông nặng thông thường.

Hình 2. 1 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Todeschini.

Todeschini (1964), đã giới thiệu một đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cho

bê tông có cường độ nén đến 35 MPa đối với bê tông nặng thông thường, và đến 28 MPa

đối với bê tông nhẹ. Đường cong này thuận tiện cho việc phân tích nghiên cứu hơn bởi

vì nó là một hàm liên tục. Quan hệ ứng suất – biến dạng được biểu diễn qua phương

trình sau:

" c

ε ε 0

(2.1)

⎞ ⎟ ⎠ 2

⎛ ⎜ ⎝ ε ε 0

⎞ ⎟ ⎠

' c

ε 0

(2.2)

⎛ + ⎜ ⎝ 1,71 E c

0,9

(2.3)

" c

' c

là biến dạng tại ứngsuất

là ứng suất với biếndạng ε

cf ;

Hình 2. 2 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Kent và Park[1]

Kent và Park (1971), trên cơ sở mô hình của Hognestad đã đề xuất mô hình ứng

suất biến dạng cho bê tông có kiếm chế và không kiềm chế nở ngang, hình nhánh, quan

hệ ứng suất – biến dạng của nhánh thứ nhất (đường cong) được biểu diễn qua phương

trình sau:

(2.4)

' c

2 ε 0 ε 0

ε c ε 0

⎛ − ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

⎡ ⎢ ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎥ ⎦

Nhánh thứ hai được giả sử là một đường thẳng tuyến tính, có độ dốc được cố định

nghĩa như một hàm cường độ của bê tông:

Mô hình của Kent và Park

(2.5)

−

' c

( ε ε − 0

⎤ ⎦

(2.6)

⎡ 1 ⎣ 0,5 −

ε 50

ε 0

50uε là biến dạng ứng với ứng suất bằng 50% cường độ nén lớn nhất của bê tông,

với bê tông không kiềm chế nở ngang:

−

(2.7)

' f MPa c

ε 50

(

)

' f c 1000

−

3 0, 29 + ' 145 f c

Hình 2. 3 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Popovics[1].

Phương trình biểu diễn quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của bê tông cho cả hai

nhánh ứng suất được đề xuất bởi Popovics (1973):

ε c ε 0

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

(2.8)

f f

c ' c

(

ε c ε 0

⎛ ) 1 − + ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

Với bê tông nặng thường:

(2.9)

ε 0

⎞ ⎟ ⎠

(2.10)

0,8

' f n ⎛ c ⎜ E n −⎝ c ' f c 2500

Mô hình của Popovics

- n là hệ số điều chỉnh đường cong

-

cf là ứng suất lớn nhất khi nén mẫu trụ, có thứ nguyên là Psi

- Phương trình của Popovics sử dụng tốt khi bê tông có cường độ nén bé hơn 55

MPa

- Thorenfeldt và cộng sự đã cải tiến phương trình để áp dụng cho bê tông có cường

độ từ 15 đến 125 MPa. Quan hệ ứng suất – biến dạng được thể hiện ở phương

trìnhsau:

ε c ε 0

⎛ ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

(2.11)

f f

c ' c

(

ε c ε 0

⎛ ) 1 − + ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

- k là hệ số điểu chỉnh độ dốc của nhánh tăng và nhánh giảm của đường ứngsuất

biến dạng, được lấy như sau:

Nếu

≤ thì k = 1

cε ε 0

0,67

Nếu

> thì k =

cf 9000

cε ε 0

Tiêu chuẩn EC2 đề xuất quan hệ ứng suất – biến dạng cho bê tông thông thường

chịu nén một trục theo phương trình

Hình 2. 4 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo EC2[1].

Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo EC2

Mô hình theo EC2

(2.12)

σ c f

2 k η η − ( k 2 − +

) η

(2.13)

ε c ε 1 c

(2.14)

1,5

ε 1 c f

1cε là biến dạng nén của bê tông tại ứng suất lớnnhất

Phương trình trên đúng khi 0

, với

cuε là biến dạng cực hạn.

< ε ε cu

Hình 2. 5 Mô hình quan hệ ứng suất-biến dạng của bê tông theo Kachlakev[1].

Đường cong ứng suất – biến dạng đẳng hướng đa tuyến tính được xây dựng từ

những đoạn thẳng liền kết sáu điểm

Giá trị ứng suất – biến dạng của bê tông khi nén một trục được xác định từ phương

trình của Desayi và Krishnan và phương trình sau:

(2.15)

(2.16)

(2.17)

Mô hình của Kachlakev

Đường cong bắt đầu tại điểm ứng suất và biến dạng bằng không. Tại điểm 1, ứng

suất bằng

0,3 cf , quan hệ ứng suất – biến dạng là tuyến tính tuân theo quy luật Hooke.

Điểm 2, 3, 4 được xác định từ phương trình ở trên. Điểm 5 ứng với (

) ' ,cf ε , ứng

xử bê tông sau 5 điểm sẽ dẻo hoàn toàn

Nhận xét: Trong số các mô hình trên, mô hình của Kachlakev đơn giản, thể hiện được

sự làm việc của bê tông trong và ngoài miền đàn hồi. Trong các mô hình ANSYS sử

dụng trong báo cáo này, sẽ sử dụng dạng quan hệ ứng suất-biến dạng này để mô tả ứng

xử của bê tông.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép.

Trong phân tích sự làm việc của kết cấu BTCT bằng ANSYS, mô hình bê tông có

vai trò quan trọng. Để mô hình hóa phần tử bê tông, phần tử SOLID65 được lựa chọn.

Phần tử SOLID65 là phần tử khối gồm tám nút với ba bậc tự do tại mỗi nút theo phương

x, y, z. Tính chất quan trọng của phần tử này là cho phép định nghĩa vật liệu phi tuyến

xét

được nứt (theo ba phương), nén vỡ, biến dạng dẻo và từ biến, dùng để mô tả vật liệu bê

tông có chưa hàm lượng cốt thép.

Hình 2. 6 Dạng hình học của phần tử SOLID65[Internet].

(cid:153) Phần tử bê tông.

Trong ANSYS, phần tử LINK180 được lựa chọn để mô hình hóa cho cốt thép.

Phần tử gồm hai nút, mỗi nút có 03 bậc tự do theo các phương x, y, z. Phần tử này làm

việc kéo, nén một phương, có khả năng biến dạng dẻo do vậy thích hợp để mô phỏng cốt

(cid:153) Phần tử cốt thép.

thép.

Hình dạng hình học, vị trí các nút và hệ tọa độ của phần tử như trình bày ở hình vẽ sau:

Hình 2. 7 Dạng hình học của phần tử link 180[Internet]..

Có ba mô hình khác nhau để mô hình hóa cốt thép trong cấu kiên BTCT bằng mô

hình PTHH: mô hình smeared (phân tán), mô hình embeded (nhồi), mô hình discrete (rời

rạc).

Mô hình phần tử cốt thép trong bê tông.

tử bê tông theo một góc định hướng cho trước. Phương pháp này cho phép chia lưới

PTHH cốt thép dưới dạng một miền đều chạy dọc theo các phần tử bê tông. Để có thể

xem bê tông và cốt thép là một vật liệu tổ hợp bê tông-thép thì cần giả thiết lực dính bám

giữa chúng là hoàn toàn.

Mô hình “smeared” (phân tán): Cốt thép được giả thiết là phân tán vào các phần

Hình 2. 8 Mô hình Smeared[Internet]..

các nút, và chuyển vị của cốt thép tương thích với phần tử bê tông. Khi hàm lượng cốt

thép lớn hơn thì mô hình này rất hiệu quả. Tuy nhiên, khi đó làm tăng thời gian tính toán.

Đồng thời việc định nghĩa điểm có đồng chuyển vị giữa bê tông và thép khiến mô

hìnhhóa trở nên phức tạp nên mô hình này ít được sử dụng. Đây là mô hình có lực bám

dínhhoàn toàn giữa bê tông và cốt thép.

Hình 2. 9 Mô hình Embeded[Internet]..

Mô hình “embeded”: Các phần tử cốt thép được liên kết vs các phần tử bê tông tại

kết chốt ở 2 đầu, thông qua nút chung của phần tử bê tông và cốt thép. Vì thế, việc khảo

sát ứng suất trong bê tông và cốt thép thuận tiện hơn. Trong khi hai mô hình ở trên coi

Mô hình “discrete”: Cốt thép được mô hình hóa bằng phần tử thanh rời rạc có liên

lựcbán dính giữa bê tông và cốt thép là hoàn toàn, thì ở mô hình này có thể xét được sự

trượt của chúng. Nhược điểm của mô hình này là việc chia lưới bô tông và cốt thép phụ

thuộc lẫn nhau, đồng thời cũng như mô hình “embeded” mô hình này không xét được thể

tích chiếm chỗ của cốt thép trong bê tông.

Hình 2. 10 Mô hình Discrete[Internet]..

Trong phân tích PTHH của kết cấu bê tông, có ba mô hình được dùng để mô hình

hóa vết nứt trong bê tông: mô hình nứt đơn (discrete), mô hình nứt phân tán (smeared)

vàmô hình nứt gãy (fracture).

- Mô hình “discrete” được giới thiệu bởi Ngo và Scordelis, các viết nứt được mô

hình bằng cách tách các nút của lưới PTHH, để tạo ra một mô hình vết nứt rời rạc. Với

mô hình này, độ cứng của cấu kiện sẽ thay đổi trong quá trình hình thành vết nứt thông

qua việc thay đổi tính chất hình học của từng phần tử.

- Mô hình “discrete” được giới thiệu bởi Ngo và Scordelis, các viết nứt được mô

hình bằng cách tách các nút của lưới PTHH, để tạo ra một mô hình vết nứt rời rạc. Với

mô hình này, độ cứng của cấu kiện sẽ thay đổi trong quá trình hình thành vết nứt thông

qua việc thay đổi tính chất hình học của từng phần tử.

- Mô hình “Smeared” được giới thiệu bởi Rashid , mô hình này xem biến dạng liên

tục tại vết nứt được phận tán vào trong phân tử bê tông nên kích thước hình học của phần

tử không bị thay đổi. Khi đó, ứng xử của bê tông khi nứt sẽ phụ thuộc vào hình dạng

nhánh giảm của đường cong ứng suất – biến dạng khi chịu kéo.

Tùy theo mục đích phân tích mà ta lựa chọn mô hình vết nứt phù hợp. Trong phân

tích nếu quan tâm đến ứng xử tổng thể của kết cấu, quan hệ ứng xử giữa tải trọng

vàchuyển vị, mà không quá quan tâm đến hình dạng vết nứt thực và ứng suất cục bộ thì

môhình vết nứt “Smeared” là hợp lí. Ngược lại nếu quan tâm đến các ứng xử cục bộ,

khảo sát chi tiết ứng xử mà bê tông có và không có liên kết với cốt thép, thì mô hình

“discrete” là hợp lí. Còn những bài toán mà trong đó sử dụng lí thuyết là cơ học phá hủy

thì mô hìnhvết nứt “fracture” là ưu tiên lựa chọn. Nói chung đối với các bài toán áp dụng

trong ngành kỹ thuật mà liên quan về mặt cấu trúc thì mô hình vết nứt “Smeared” bao

giờ cũng đượcchọn.

Hình 2. 11 Các mô hình nứt bê tông[Internet]..

Tiêu chuẩn phá hoại của Willam và Warnketrong ANSYS được sử dụng cho mô

phỏng này. Bê tông sẽ bị nứt hoặc bị nén vỡ nếu thỏa mãn điều kiện ở phương trình:

− ≥ 0

(2.18)

F f

Trong đó:

2.3. Tiêu chuẩn nứt bê tông

+ F là hàm của trạng thái ứng suất chính (

σ σ σ ) yp

)

σ σ σ là ứng suất chính theo các phương chính x, y, z

+ (

thông số

f 1

là cường độ kéo và nén một trục của bê tông

+S là bề mặt phá hoại được biểu diễn bởi những giá trị của ứng suất chính và năm

f + , t

tf và

'cf

Bề mặt phá hoại có thể được định nghĩa bởi hai thông số

1, 2

Ba thông số còn lại được mặc định théo Willam và Warnke như sau :

c f

1, 45

(2.19)

f 1 f

' c 1, 725

' c

(2.20)

(2.21)

Tuy nhiên, các giá trị mặc định này chỉ hợp lệ cho các trạng thái ứng suất trong đó

điều kiện:

σ ≤ h

(2.22)

)

σ h

( σ σ σ zp

1 3

Trạng thái ứng suất thủy tĩnh

f = − , bê tông bị nứt khi có 1

Khi khả năng nén vỡ của bê tông được bỏ qua với

thành phần ứng suất chính vượt quá giá trị cường dộ chịu kéo tf

,σ σ và 2

3σ trong đó:

max

σ 1

Cả hàm F và bề mặt phá hoại S đều được biểu thị dưới dạng các ứng suất chính

(2.23)

min

σ 3

(2.24)

( σ σ σ zp ( σ σ σ zp

) )

≥

σ σ σ 2 3

. Sự phá hoại của bê tông được phân thành 4 trường hợp: Với

≥

≥ ≥ σ σ σ 1 2 3

0 ≥ ≥

( nén - nén - nén ) •

σ 1

≥ σ σ 2 3

0 ≥ ≥

( kéo - nén - nén ) •

≥ σ σ 1 2

σ 3

( kéo - kéo - nén ) •

≥

≥ ( kéo - kéo - kéo )

σ σ σ 2 3

•

Trong mỗi miền, các hàm độc lập mô tả F và bề mặt phá hoại S. Bốn hàm mô tả

F F F và , 1

4F trong khi các hàm mô tả S được kí hiệu

1,4)

hàm tổng quát F được kí hiệu là

iS i = (

S S S và , 1

4S . Các hàm

là có các thuộc tính mà bề mặt chúng mô tả là liên

tục trong khi độ dốc bề mặt không liên tục khi bất kì một trong các ứng suất chính thay

đổi.

≥

≥ ≥ σ σ σ 2 3 1

(cid:190) ( nén - nén - nén ).

Tiểu chuẩn phá hoại của Willam và Warnke trong trường hợp này được thực hiện ,

1 2

F có dạng :

)

F F = 1

( − σ σ 1 2

( − σ σ 3

( − σ σ 1

⎤ ⎦

⎡ ⎣

1 15

(2.25)

1 2

) cos

−

2 r r 2 ( 2 2

2 r 1

r 2

2 r 1

r r 1 2

⎤ ⎦

Và S được định nghĩa là:

S 1

r 2 )cos

(

⎡ ) 4( ⎣ 2 η

2 r 2 +

2 r 1 −

−

r 1 2 r 1

r 2

r 2 ) 1

2 r 2

(2.26)

−

2 σ σ σ 2 3

cos

Trong đó:

1 2

)

( σ σ − 1 2

( σ σ − 2 3

( σ σ − 3 1

⎡ ⎣

⎤ ⎦

(2.27)

2 a a + ξ ξ 1 2 2 b b + ξ ξ 1 2

r 1 r 2

(2.28)

(2.29)

a 0 b 0 σ h f

dẫn đến bất kì trạng thái ứng suất nào sao cho

(nén đơn

0oη=

σ σ σ 2 1

phương, lực căng hai trục) khi

cho bất kì trạng thái ứng suất nào trong đó

60o

η=

. Khi

. Tất cả các trạng thái ứng suất đa trục khác có 0

η≤ ≤

0oη=

σ σ σ 2 1

60oη=

1S bằng 1r và

1S bằng 2r . Do đó hàm 1r biểu thị bề mặt phá hoại của tất cả các

trạng thái ứng suất với

0oη=

. 1r , 2r và ηđược mô tả trên hình.

(2.30)

Hình 2. 12 Bề mặt phá hủy 3-D trong không gian ứng suất chính[Internet]..

và

Hàm 1r được các định bằng cách điều chỉnh

a ,a và 0 1

2a sao cho

1F đều

nằm trên bề mặt phá hoại. Các giá trị phù hợp cho các hệ số này được xác định thông

qua các phương trình:

)

( σ 1

, = σ σ 3

f f

= −

(2.31)

)

( 0, σ σ σ 3

f f

a 0 a 1 a

2 ξ ξ t 2 ξ ξ cb cb 2 ξ ξ 1

⎫ ⎪ ⎬ ⎪ ⎭

⎡ 1 ⎢ 1 ⎢ ⎢ 1 ⎣

⎤ ⎧ ⎥ ⎪ ⎨ ⎥ ⎪ ⎥ ⎩ ⎦

= −

−

a h t

f 1

( a σ σ σ σ σ h 2

)

f f

⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

Với:

, ξ

= −

−

(2.32)

cb f

f 1 f

f t f 3

f 3

a σ h f 3

2 3

Hàm 2r được các định bằng cách điều chỉnh 0

1,b b và 2b để thỏa mãn các điều kiện:

= −

)

( = σ σ 2

σ 3

F 1 f

−

1 3

= −

−

(2.33)

a h

( a σ σ σ σ σ h

)

c F 1 f

1 9 2 ξ ξ 2 2 ξ ξ 0

⎡ 1 ⎢ ⎢ 1 ⎢ ⎢ 1 ⎢ ⎣

⎤ ⎥ ⎧ ⎫ b 0 ⎥ ⎪ ⎪ b ⎨ ⎬ ⎥ 1 ⎪ ⎪ ⎥ b ⎩ ⎭ 2 ⎥ ⎦

f 1 f

⎫ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭

⎧ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩

2ξ được xác định bởi :

ξ = −

−

(2.34)

a σ h f

f 2 3 f

Và

0ξ là giá trị dương của phương trình:

)

(2.35)

= 0

r 2

( ξ 0

a 0

a ξ 1 0

a ξ 2 0

bị giới hạn trong phạm vi:

r Do bề mặt phá hủy phải lồi, tỷ lệ 1 r 2

(2.36)

0.5

1.25

r 1 r 2

Các hệ số 1

a a a b b và 2b phải thỏa mãn các điều kiện:

≤

a 0

a 1

a 2

(2.37)

≤

b 0

b 1

b 2

(2.38)

Hình 2. 13 Mặt cắt của bề mặt phá hoại[Internet]..

Đường cong trên biểu thị tất cả trạng thái ứng suất sao cho

và đường cong

0oη=

. Nếu tiêu chuẩn phá hủy được thỏa

dưới biểu thị trạng thái ứng suất sao cho

60oη=

mãn, vật liệu được coi là phá hủy.

0 ≥ ≥

( kéo - nén - nén )

σ 1

≥ σ σ 2 3

Trong trường hợp này, F có dạng:

1 2

(2.39)

−

F F = 2

2 ( ) + σ σ σ σ 3

⎡ ⎣

⎤ ⎦

1 15

•

Và S có dạng:

1 2

) cos

−

p p ( 2

2 2

2 p 1

p p 1 2

⎤ ⎦

) cos 2

σ 1 f

p 2 ) cos

2 p 2 p

(

−

⎡ ) 4( ⎣ 2 η

p 2 p 2

p 1 2 p 1

2 p 1 p 2 ) 1

⎛ 1 −⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎠

(2.40)

Trong đó:

−

σ σ σ 2 2 3

cos

(2.41)

1 2

)

( − σ σ 1 2

( − σ σ 2 3

( − σ σ 3 1

⎡ ⎣

⎤ ⎦

(2.42)

(2.43)

p 1 p 2

(2.44)

2 a a + χ χ 1 2 2 b b χ χ + 1 2 )

a 0 b = 0 ( σ σ + 2 3 3 c f

Nếu tiêu chuẩn phá hoại không thỏa mãn, vết nứt xảy ra trong mặt phẳng vuông

góc với ứng suất chính

1σ

( kéo - kéo - nén )

•

0 ≥ ≥

≥ σ σ 1 2

σ 3

F được xác định:

1,2

iσ= ; =

F F 3

Và S được xác định:

;

1, 2

(2.45)

f f

σ⎛ 3 1 + ⎜ f ⎝

⎞ ⎟ ⎠

Nếu tiêu chuẩn phá hủy cho cả i = 1, 2 được thỏa mãn, vết nứt xảy ra trong các mặt

phẳng vuông góc với ứng suất chính 1σ và

2σ . Nếu tiêu chuẩn phá hủy chỉ được thỏa

mãn với i = 1, thì vết nứt chỉ xảy ra trong mặt phẳng vuông góc với ứng suất chính

1σ .

≥

≥ ( kéo - kéo - kéo )

•

σ σ σ 2 3

F có dạng:

1,2,3

F F = 4

iσ ; i

S được xác định:

(2.46)

f f

Nếu tiêu chuẩn phá hủy được thỏa mãn theo i=1, 2 và 3, thì vết nứt xảy ra trong các

mặt phẳng vuông góc với ứng suất chính

,σ σ và 2

3σ .

Nếu tiêu chí thất bại được thỏa mãn theo i=1 và 2, vết nứt xảy ra trong mặt phẳng

vuông góc với ứng suất chính

1σ và

2σ .

Nếu tiêu chí thất bại chỉ được thỏa mãn theo i=1, vết nứt xảy ra trong mặt phẳng

vuông góc với ứng suất chính

1σ .

Hình 2. 14 Bề mặt phá hủy trong không gian ứng suất chính[Internet]..

Phần tử SOLID185.

Cấu trúc rắn 3 chiều

SOLID185 được sử dụng cho mô hình ba chiều của các cấu trúc rắn. Phần tử

được xác định bởi tám nút có ba bậc tự do tại mỗi nút: các bản dịch theo các hướng x,

y và z.Phần tử này có độ dẻo, độ cứng ứng suất, độ võng lớn và khả năng biến dạng

lớn.

•Phần tử tấm thép:

Hình 2. 15 SOLID185 Cấu trúc rắn 3-D[Internet]..

Các vị trí hình học và nút cho phần tử này được hiển thị trong hình 2.15. Phần tử

được xác định bởi tám nút và các thuộc tính vật liệu trực giao. Hệ thống tọa độ phần tử

mặc định là dọc theo hướng toàn cầu. Bạn có thể xác định một hệ tọa độ phần tử bằng

cách sử dụng lệnh ESYS , tạo thành cơ sở cho các hướng vật liệu chỉnh hình.

Áp lực có thể là đầu vào khi tải bề mặt trên các mặt của phần tử như được hiển

thị bằng các số được khoanh tròn trong hình 2.15. Áp lực tích cực hành động vào các

yếu tố. Nhiệt độ có thể được nhập vào khi tải phần tử cơ thể tại các nút. Nút I nhiệt độ

T mặc định là TUNIF. Nếu tất cả các nhiệt độ khác không được chỉ định, chúng sẽ

mặc định là T. Đối với bất kỳ mẫu nhiệt độ đầu vào nào khác, nhiệt độ không xác định

mặc định là TUNIF. Mặc định tương tự xảy ra cho sự lưu loát ngoại trừ số 0 được sử

dụng thay vì TUNIF.

SOLID185 sử dụng tiêu chuẩn

phương pháp trong đó các thuật ngữ biến dạng

thể tích tại các điểm tích hợp Gauss được thay thế bằng biến dạng thể tích trung bình

của các phần tử. Phương pháp này còn được gọi là phương pháp tích hợp giảm có

chọn lọc. Sử dụng phương pháp này giúp ngăn chặn khóa thể tích lưới trong các

trường hợp gần như không thể nén.

Dữ liệu đầu ra

Đầu ra giải pháp liên quan đến phần tử có dạng:

• Chuyển vị nút bao gồm trong giải pháp nút tổng thể .

Hình 2. 16 Đầu ra ứng suất SOLID185[Internet]..

Các phần tử có thể được đánh số hoặc như trong hình 2.15 hoặc có thể có các

mặt phẳng IJKL và MNOP hoán đổi cho nhau. Ngoài ra, phần tử có thể không bị xoắn

sao cho phần tử có hai khối riêng biệt. Điều này xảy ra thường xuyên nhất khi các yếu

tố không được đánh số đúng.

Tất cả các yếu tố phải có tám nút. Một phần tử hình lăng trụ có thể được hình

thành bằng cách xác định trùng lặp K và L và số nút O và P trùng lặp. Một hình tứ

diện cũng có sẵn.

Giả định và hạn chế

Không có hạn chế cụ thể về sản phẩm đối với yếu tố này.

Hạn chế sản phẩm

Theo TCVN 9381-2012 “Chỉ dẫn đánh giá mức độ nguy hiểm của kết cấu nhà”, cấu

kiện cột bê tông cốt thép được đánh giá là nguy hiểm 1 Trường Đại học Thủy Lợi. khi có

một trong những hiện tượng sau:

+ Cột chịu lực có vết nứt thẳng đứng, lớp bê tông bảo vệ bị bong tróc, cốt thép chịu

lực lộ ra do bị ăn mòn, hoặc một bên có vết nứt ngang với bề rộng lớn hơn 1 mm, một

bên bê tông bị nén vỡ, cốt thép chịu lực lộ ra do bị ăn mòn;

+ Cột bị nghiêng, chuyển vị ngang và độ nghiêng vượt quá 1% độ cao, chuyển vị

ngang vượt quá h/500; (h – chiều cao tính toán của cột)

+ Bê tông cột bị mủn, bị carbonát hoá, phồng rộp, diện tích hư hỏng lớn hơn 1/3

toàn mặt cắt, cốt thép chịu lực lộ ra, bị ăn mòn nghiêm trọng;

+ Cột biến dạng theo phương ngang lớn hơn h/250, hoặc lớn hơn 30 mm;. Kết cấu

bê tông cốt thép cần được gia cường trong các trường hợp:

+ Khi tình trạng hư hỏng của kết cấu đã đến mức không thể áp dụng các biện pháp

sửa chữa để phục hồi khả năng chịu tải;

+ Khi có sự thay đổi về công năng sử dụng, khả năng chịu tải của kết cấu cũ không

còn đáp ứng được sự tác động của tải trọng mới với sơ đồ tính toán tương ứng.

Thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép phải dựa trên các nguyên tắc:

+ Phù hợp với yêu cầu sử dụng công trình, kết cấu sau gia cường không gây cản trở

đến hoạt động khai thác công trình;

+ Đảm bảo khả năng chịu tải trọng tác động.

+ Yêu cầu kết cấu đơn giản, đạt hiệu quả cao về kinh tế và kỹ thuật;

+ Dễ thi công, phù hợp với điều kiện vật liệu, phương tiện và trình độ thi công.

2.4. Các phương pháp gia cường kết cấu BTCT có vết nứt

2.4.1. Gia cường cột BTCT bằng phương pháp tăng tiết diện

Thực tế cho thấy có thể tăng khả năng chịu tải của kết cấu lên 1,5-2 lần và tiết kiệm

được vật liệu. Tăng về 2 phía hoặc 1 phía tuỳ theo yêu cầu. Chiều cao tăng phụ thuộc kết

quả tính toán. Đường kính cốt dọc từ 14-25. Tăng tiết diện bằng cách ốp bốn phía.

Phương pháp này rất thích hợp với cột.

- Cốt thép và chiều dày của bê tông ốp xác định theo tính toán

- Ưu điểm: Phần bê tông mới và bê tông cũ gắn chặt vào nhau do tính co ngót của

bê tông mới tạo nên sự làm việc đồng thời.

Hình 2.17. Gia cường bằng cách tăng kích thước tiết diện cột

Là phương pháp sử dụng thép hình để tạo nên một hệ thống kết cấu tổ hợp giữa kết

cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép cũng đồng thời tham gia chịu tải

- Ưu điểm:

+ Thi công đơn giản, nhanh chóng, giữ nguyên được kích thước tiết diện cột.

+ Không ảnh hưởng đến không gian sử dụng, nhanh chóng đưa công trình vào sử

dụng tăng khả năng chịu lực của cột lên được 2 - 2,5 lần (có thể lên tới 100 - 200 tấn).

Nhược điểm:

+ Tiêu hao lượng thép tương đối lớn so với các phương pháp khác

2.4.2. Gia cường cột BTCT bằng thép hình

Hình 2.18. Gia cường cột BTCT bằng cách ốp thép hình

Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu Composite được chế

tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon

CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP và sợi aramid AFRP. Đặc tính của các loại sợi này là có

cường độ chịu kéo rất cao, mô đun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài

mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt và bền theo thời gian...

Hình 2.19. Gia cường cột BTCT bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp

2.4.3. Gia cường cột BTCT bằng vật liệu cốt sợi tổng hợp

Các cách xác định đặc trưng cơ học của bê tông, mô hình được tác giả sử dụng

trong đề tài này là mô hình của Kachlakev.

Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép trong ANSYS , bê

tông sử dụng phần tử Solid 65 , cốt thép là Link 180, tấm thép sử dụng phần tử Solid 185

2.5. Tóm tắt chương 2.

Ba cách mô hình cốt thép trong Ansys, tác giả sử dụng mô hình Discrete.

Tiêu chuẩn nứt bê tông trong Ansys, đó là tiêu chuẩn tiêu chuẩn phá hoại của Willam

và Warnke.

31 CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

Mô hình mô phỏng là cột BTCT có kích thước 0.2 x 0.2 x 1.2 m. Cấu tạo cốp

thép 4× ∅ 12mm, 6× ∅ 6mm.

Số lượng và kích thước tấm thép: Các tấm thép được sử dụng để kết nối các phần

tử (2C hoặc 2L) đã được chọn cùng diện tích mặt cắt ngang. Ba tấm 150*100*5 mm

được sử dụng cho hai mẫu vật và sáu tấm 150*50*5 mm được sử dụng cho hai tấm

còn lại.

Hình 3. 1 Bản vẽ kích thước cột BTCT [8].

3.1. Các số liệu liên quan đến mô hình.

STT

Loại

phần

Thuộc tính vật liệu

tử

Solid 65

Concrete (linear isotropic properties)

25238.79 N/mm2

Poisson’s ratio (PRXY)

0.2

Concrete

(multi-linear

isotropic

properties)

Shear coefficient for open shear

0.2

Shear coefficient for closed shear

0.8

Uniaxial tensile stress (N/mm2)

3.4

Uniaxial crushing stress (N/mm2)

Biaxial crushing stress (N/mm2)

Ambient

hydrostatic

stress

state

(N/mm2)

Biaxial crushing stress under ambient

hydrostatic stress state (N/mm2)

Uniaxial crushing stress under ambient

hydrostatic stress state (N/mm2)

Stiffness multiplier for cracked tensile

condition

Link 180

Longitudinal bars

Linear isotropic

Bảng 3.1 Thông số vật liệu [8].

2.1*105 N/mm2

Poisson’s ratio (PRXY)

0.3

Bilinear isotropic

Yield stress

360 N/mm2

Tangent modulus

0.000

Link 180

Transverse bars

Linear isotropic

2.1*105 N/mm2

Poisson’s ratio (PRXY)

0.3

Bilinear isotropic

Yield stress

240 N/mm2

Tangent modulus

0.000

Solid 185

Steel plates and sections

Linear isotropic

2.1*105 N/mm2

Poisson’s ratio (PRXY)

0.300

Hướng dẫn nhập vật liệu và mô hình (Phụ lục A). Ta xậy dựng được mô hình

BTCT như Hình 3.2.

3.2. Xây dựng mô hình ANSYS.

Hình 3. 2 Mô hình ANSYS của cột.

Hình 3. 3 Bố trí cốt thép.

Định kích thước và chia lưới phần tử (Meshing).

Khảo sát các trường hợp kích thược phần tử.

Với các trường hợp trên ta thu được kết quá xấp xỉ nhau nhưng lại chênh lệch về

thời gian nên ta sẽ chọn kích thước phần tử cho ra kết quả nhanh nhất.

Ta sẽ gán từng loại phần tử cho riêng từng vật liệu: bê tông, cốt thép nhằm mô

phỏng đúng sự làm việc của nó so với thực tế.

3.3. Chia lưới mô hình.

Preprocessor -> Meshing -> Mesh Tool -> Set (Volumes) -> Nhập các thông số phù

hợp với từng loại vật liệu.

Hình 3. 4 Chia lưới phần tử bê tông.

Hình 3. 5 Chia lưới phần tử cốt thép.

Tương tự thực hiện các mô hình ANSYS, ta sẽ xây dựng thành công 6 mô hình

với kích thước như Hình 3.1. Từ đó thu được 6 mô hình lần lượt là:

3.4. Kết quả xây dựng mô hình ANSYS.

Hình 3. 6 Mô hình Col.00.

Hình 3. 7 Mô hình Col.L.3P.

Hình 3. 8 Mô hình Col.02.L.6P

Hình 3. 9 Mô hình Col.03.C.3P.

Hình 3. 10 Mô hình Col.04.C.6P.

Hình 3. 11 Mô hình Col.05.Pl.

3.5. Thiết lập điều kiện biên.

3.5.1 Điều kiện biên.

- Lý tưởng hóa các gối tựa thí nghiệm bằng các liên kết.

- Ta xét điều kiện biên về chuyển vị và điều kiện biên về lực.

3.5.2 Điều kiện biên về chuyển vị.

- Main Menu -> Solution -> Define Load -> Apply -> Structural ->

Displacement -> Areas.

Hình 3. 12 Điều kiện biên về chuyển vị của cột.

3.5.4 Điều kiện về lực.

- Main Menu -> Solution -> Define Load -> Apply -> Structural -> Pressure -

>Areas.

- Tại Areas 200 x 200 mm.

Hình 3. 13 Lực Pressure trên cột.

(cid:153) Giải bài toán(Solution)

- Solution -> Analysis Type -> New Analysis: phân tích tĩnh đã được chọn.

- Sol’nControls:

(cid:57) Time at end of loadstep: 1.

(cid:57) Automatic time stepping: ON.

(cid:57) Number of substeps is to bechosen.

(cid:57) Number of substeps: 100.

(cid:57) Frequency: Write everysubstep.

- Solution -> Solve -> CurrentLS.

- Xuất hiện cửa sổ “Solve Current Load Step” và “/StatusCommands”.

- Nhấn Ok trên cửa sổ “Solve Current LoadStep”.

- Đến khi hiện lên cửa sổ “Note” là đã hoàn thành xong phân tích.

- Nhấn“Close”

3.6. Kết quả.

3.6.1 Kết quả nứt và chuyển vị.

Hiện tượng: khi tải tăng lên các vết nứt nghiêng bắt đầu xuất hiện gần phần

trên của đầu cột phần lớn tập trung ở giữa các mặt của cột. Các vết nứt tăng về số

lượng và diện tích nứt rộng hơn với sự gia tăng tải lớn. Với xấp xỉ 96% tải phá hủy

(985.2kN), lớp phủ bê tông bị bong ra một cách rõ rệt.

a) Mô hình trong ANSYS

b) Mô hình thí nghiệm[8]

Hình 3. 14 Kết quả nứt mô hình Col.00

Mô hình Co1.00.

1400

1200

1000

)

800

600

N k ( d a o L

400

200

‐1

Displacement (mm)

FEM

EXP

Từ kết quả nứt và chuyển vị giữa mô hình được xây dựng trên phần mềm

ANSYS và thực nghiệm. Ta thấy có sự tương đồng với chệnh lệch nhỏ, đặc biệt khu

vực xảy ra hiện tượng nứt của bê tông là giống nhau (Hình 3.14). Mặc khác, biểu đồ

chuyển vị cũng cho thấy ứng xử khả năng chiu tải cũng giống nhau. Từ đó, ta có thể

xác minh độ tin cậy với các mô hình khác được mô phỏng trên phần mềm ANSYS

ngay sau đây.

Hình 3. 15 Kết quả chuyển vị mô hình Col.00 (mm).

Dựa vào kết quả mô hình Col.00 ta tìm ra cách hạn chế sự hiện tượng bê tông bị

bong ra bằng cách gia cường các tấm thép chịu tải với kích trước như Hình 3.1

Col.01.L.3P.

Hiện tương: Khi tăng tải lên, các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện ngay dưới tấm tải,

tăng tải lên nữa thì xuất hiện các vết nứt lớn ở phần dưới của trụ. Sau đó, với xấp xỉ

97% tải trọng phá hủy của trụ (1850kN), vỏ bê tông bắt đầu bị bong ra, cho thấy sự

vênh ở cả cốt thép dọc và các góc.

Mô hình Col.01.L.3P (Phương án 1).

a) Kết quả nứt trong ANSYS

b) Kết quả nứt thí nghiệm [8].

Hình 3. 16 Kết quả nứt mô hình Col.01.L.3P.

)

FEM

N k ( d a o L

EXP

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

0.5

1.5

Displacement (mm)

Hình 3. 17 Kết quả chuyển vị mô hình Col.01.L.3P (mm).

Với việc thay đổi cách bố trí tấm thép chịu tải có kịch thước khác nhau (Hình 3.1

Col.02.L.6P) kết quả nhận được cũng khác nhau.

Hiện tượng: Ở phương pháp gia cường này các vết nứt nhỏ bắt đầu xuất hiện sớm

ở dưới tấm tải. Ở phần dưới cùng và trên đầu cột, các vết nứt lớn hình thành do sự co

giãn của lớp bê tông bên trong. Khi tải tăng, lớp bê tông bong ra lớn làm tấm tải bị phá

vỡ liên kết tại các mối hàn. Điều này xảy ra ở mức xấp xỉ 95% tải phá hủy (1600 kN).

Mô hình Col.02.L.6P (Phương án 2).

a) Mô hình trong ANSYS

b) Mô hình thí nghiệm [8].

Hình 3. 18 Kết quả nứt mô hình Col.02.L.6P.

1800

1600

1400

1200

)

1000

FEM

800

N k ( d a o

l

EXP

600

400

200

0.5

1.5

2.5

Displacement (mm)

Hình 3. 19 Kết quả chuyển vị mô hình Col.02.L.6P (mm).

Tương tự như phương pháp 1. Nhận ra còn hiện tượng bê tông ở các vùng không

có tấm tải vẫn xuất hiện chuyển vị lớn (bong ra). Vì vậy, ta thực nghiệm phương pháp

tương tự với 2 mặt cột được phủ kín hoàn toàn bởi tấm thép, còn 2 mặt còn lại vẫn để

như phương pháp 1 (Hình 3.1 Col.03.C.3P)

Hiện tượng: Các vết nứt nhỏ xuất hiện ở phần trên đầu cột ở dưới tấm tải. Các

vết nứt tăng dần về số lượng và diện tích trở nên rộng hơn khi tải tăng. Với xấp xỉ 99%

Mô hình Col.03.C.3P (Phương án 3).

tải phá hủy và các vết nứt lớn khiến tấm tải bị mất liên kết tại mối hàn khi tải đạt tới

1545 kN.

a) Kết quả nứt trong ANSY

b) Kết quả nứt thí nghiệm[8].

Hình 3. 20 Kết quả nứt mô hình Col.03.C.3P.

1800

1600

1400

1200

)

1000

FEM

800

EXP

N k ( d a o L

600

400

200

‐0.5

0.5

1.5

2.5

1 Displacement (mm)

Hình 3. 21 Kết quả chuyển vị mô hình Col.03.C.3P (mm).

Việc mất liên kết tại các mối hàn của các tấm ở phương án 2 cho ta thấy vẫn còn

sự hạn chế của phương án gia cường này. Vì thế, để khắc phục hiện tượng này ta tiếp

tục thử nghiệm phương pháp tương tự phương pháp 2. Tuy nhiên, 2 mặt đối diện của

cột được phủ kín bởi tấm thép chịu tải và 2 mặt còn lại không đổi (Hình 3.1)

Hiện tượng: Các vết nứt nhỏ điển hình xuất hiện ở phần trên và dưới của cột. Đặc

biệt, các vết nứt xuất hiện phần lớn tập trung ở nửa dưới cốt dọc theo các góc. Khi tải

Mô hình Col.04.C.6P. (Phương án 4).

tăng lên, các vết nứt bắt đầu xuất hiện với cường độ và diện tích tăng làm các lớp bê

tông dưới tấm tải bị bong ra, đôi khi lộ cả cốt thép bên trong. Cuối cùng, sẽ bị phá hủy

ở xấp xỉ 87% tải phá hủy (1815 kN). So với kết quả thí nghiệm ta có thể thấy rõ sự

biến dạng của tấm tải ở mô hình FEM (Hình 3.22).

a) Kết quả nứt trong ANSYS

b)Kết quả nứt thí nghiệm[8]

Hình 3. 22 Kết quả nứt mô hình Col.04.C.6P.

2000

1800

1600

1400

)

1200

1000

EXP

800

FEM

N k ( d a o L

600

400

200

0.2

0.4

0.8

1.2

0.6 Displacement (mm)

Hình 3. 23 Kết quả chuyển vị mô hình Col.04.C.6P (mm).

Từ 4 phương án gia cường trên ta có thể nhân ra rằng: Hiện tường mất kiên kết tại

mối hàn của các tấm thép thường xảy ra khi chịu tải lớn. Đồng thời hiện tượng chuyển

vị lớn của lớp bê tông (bị bong ra), kéo theo sau là sự phá hủy hoàn toàn cột. Vì vậy,

trong nghiêm cứu này nhầm khắc phục các nhục điểm nêu trên, tác giả đã đưa ra

phương pháp cuối cùng là bố trí các tấm thép phủ kín 4 mặt của cột.

Hiện tượng: Từ các kết quả nứt ở 4 phương pháp gia cường cột bằng tấm thép tác

giả tiếp tục thử nghiệm 1 phương pháp hoàn toàn khác. Ở phương pháp này cột BTCT

được bao kín 4 mặt bởi tấm tải (Hình 3.24). Vì vậy, kết quả nứt của bê tông không thể

quan sát cụ thể cũng như dấu hiệu phá hủy của bê tông bên trong tấm tải. Tuy nhiên,

kết quả đáng chú ý là khi tăng tải lên thì các tấm tải có hiện tại võng vào trong, phần

trên cột xuất hiện hiện tượng phình ra như (Hình 3.24).

a)Kết quả nứt trong ANSYS

b) Kết quả nứt thí nghiệm[8]

Hình 3. 24 Kết quả nứt mô hình Col.05.Pl.

Mô hình Col.05.Pl.(Phương án 5).

1800

1600

1400

1200

1000

)

FEM

800

EXP

N k ( d a o L

600

400

200

‐0.5

0.5

1.5

2.5

3.5

‐200

Displacement (mm)

Hình 3. 25 Kết quả chuyển vị mô hình Col.05.C.Pl (mm).

3.7. Nhận xét kết quả.

Chart Title

2000

1800

1600

1400

Col.00

)

1200

Col.01.L.3P

1000

Col.02.L.6P

N k ( d a o L

800

Col.03.C.3P

600

Col.04.C.6P

400

Col.05.PL

200

‐1

Disceplacement (mm)

Hình 3. 26 Kết quả chuyển vị của tất cả mô hình trên ANSYS.

Mô hình

Tải phá hủy (kN)

Chuyển vị (mm)

Col.00

985.2

4.2

1850

1.13

Col.01.L.3P

1600

1.48

Col.02.L.6P

1545

1.46

Col.03.C.3P

1815

0.924

Col.04.C.6P

1597

2.18

Col.05.C.Pl

Dựa vào kết quả chuyển vị Hình 3.26 và bảng 3.2 ta có thể đưa ra một số nhận

xét và lựa chọn phương pháp gia cường cho cột BTCT:

Bảng 3.2 Tóm tắt kết quả chuyển vị mô hình trên ANSYS.

- Mô hình Col.01.L.3P và mô hình Col.04.C.6P sau khi được gia cường tấm thép

chịu tải thì khả năng chịu tải tăng 87.8% và 89% so với cột BTCT Hình Col.00.

Chuyển vị của các phần tử bê tông cũng hạn chế một cách đáng kể chỉ bằng xấp xỉ

0.27% (đối với mô hình Col.01.L.3P) và 0.22% (đối với mô hình Col.04.C.6P) so với

cột BTCT mô hình Col.00.

- Kết quả cũng cho thấy phương pháp gia cường Col.02.L.6P và Col.03.C.3P có

sự tương quan khá rõ và tải phá hủy và chuyển vị khá tương đồng với nhau. Tải phá

hủy tăng 62% (mô hình Col.02.L.6P) và tăng 57% (Mô hình Col.03.C.3P). Đồng thời,

chuyển vị cũng giảm đáng kể xấp xỉ 65 % (mô hình Col.02.L.6P) và xấp xỉ 65% (mô

hìnhCol.03.C.3P). Vì vậy, 2 phương pháp này có thể áp dụng như nhau tùy vào mực

đích và yêu cầu kĩ thuật.

- Ngoài ra, phương pháp cuối cùng tuy được bao phủ toàn bộ bởi tấm thép nhưng

kết quả về chuyển vị khá lớn so với còn phương pháp thử nghiệm trong nghiêm cứu

này. Tải phá hủy có tăng so với mô hình Col.00 vào khoảng tăng 62%. Tuy nhiên, so

với các phương pháp ở mức tải phá hủy tương đương thì kết quả chuyển vị lại lớn hơn

khá nhiều (xấy xỉ 149% so với mô hình Col.03.C.3P và 147% so với mô hình

Col.02.L.6P.

Từ các kết quả thu được từ việc xây dựng mô hình trên phần mềm ANSYS, tính

toán theo phương pháp phần tử hữu hạn và kết quả thực nghiêm. Ta nhận thấy rằng,

phương án gia cường Col.01.L.3P và Col.04.C.6P là 2 phương án tốt ưu nhất. Giúp cột

BTCT chịu tải tác dụng cao nhất với chuyển vị nhỏ nhất.

50 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN

Trong luận văn này, tác giả đã tìm hiểu lý thuyết phá hủy bê tông cốt thép và các

phương pháp gia cường cột bê tông bằng thép tấm. Từ đó tác giả đã ứng dụng vào việc

xây dựng các mô hình phần tử hữu hạn trong phần mềm Ansys, mô phỏng quá trình nén

cột trước và sau khi gia cường. Các kết quả mô phỏng đều được so sánh với thực nghiệm

được tham khảo từ bài báo quốc tế [8]. Qua các kết quả tính toán, có thể đưa ra được

phương pháp gia cường nào là tốt nhất.

Phần tử SOLID65 và LINK180 được chọn trong phần mềm ANSYS là phù hợp để

mô phỏng cơ chế chịu lực và quá trình phá hoại của kết cấu bê tông, kết cấu thép.Nó

được bổ sung các tham số có thể mô phỏng cùng với hiện tượng kéo nứt của vật liệu hợp

lý với các giai đoạn làm việc trong các giai đoạn làm việc của kết cấu BTCT thực tế.

Đồng thời, phần tử SOLID185 cũng là lựa chọn tốt trong phần mềm ANSYS để mô

phỏng cho các phương pháp gia cường cột BTCT bằng các tấm thép.

Các phân tích và kết quả trên cho thấy, có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu

hạn để mô hình cột BTCT. Tuy nhiên, trong quá trình mô hình hoá cần thực hiện một số

điều chỉnh cho phù hợp.

4.1. Kết luận.

4.2. Ưu điểm và khuyết điểm.

Có thể tìm ra hay dự đoán được các ứng xử chính của kết cấu bê tông cốt thép cho

đến khi phá hoại bao gồm: Khả năng chịu lực cục hạn, chuyển vị lớn nhất, quan hệ lực –

chuyển vị, sự hình thành và phát triển của các vết nứt, khu vực hình thành phá hoại.

Thích hợp cho việc gia cường kết cấu chịu uốn, có hiệu quả kỹ thuật cao, không

làm tăng chiều cao của kiến trúc và kết cấu, không làm thu hẹp không gian công trình,

thi công đơn giản vì vật liệu phổ biến từ lâu.

4.2.1 Ưu diểm:

Ứng xử của bê tông khi vết nứt bắt đầu xuất hiện là rất phức tạp.

Việc xây dựng các mô hình tính toán thiết kế chỉ dựa trên nền tảng lí thuyết cơ học

hiện nay khá là phức tạp.

4.2.2 Nhược điểm:

Mô hình lớn nên việc thiết lập giải đòi hỏi thiết bị sử dụng phải đáp ứng được.

Lớp thép bên ngoài dễ bị rỉ và nhưng chịu nhiều tác động khác bên ngoài môi

trường dẫn đến tuổi thọ của kết cấu có thể giảm so với dự tính.

PHỤ LỤC A

. Mô tả bài toán

• Chọn kiểu bài toán

- Command: Main Menu ->Preferences.

- Cửa sổ “Preferences for GUI Filtering” xuấthiện

- Chọn Structural, bấm OK.

• Lựa chọn phần tử cho mô hình (Element types).

- Ta lựa chọn 3 phần tử: solid 65, link 180, solid 185.

- Preprocessor -> Element type -> Add/Edit/Delete ->Add

- Chọn phần tử solid 65 cho vật liệu bê tông.

- Có 4 loại vật liệu ta cần khai báo :

Loại phần tử

Thứ tự vật liệu

Vật liệu

Bê tông

Solid 65

Cốt thép đứng

Link 180

Cốt thép vòng

Link 180

Tấm thép

Solid 185

- Chọn phần tử Link 180 cho vật liệu cốt thép.

Chọn phần tử solid 185 cho vật liệu tấm thép.

Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.

Khai báo đặc trưng cơ học cho phầntử

• Định nghĩa tính chất cảu vật liệu bê tông:

- Modun đàn hồi và hệ số passion.

- Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.

Preprocessor -> Material Props -> MaterialModels.

• Định nghĩa đường cong ứng suất của bê tông:

- Quan hệ đường cong ứng suất biết dạng của bê tông:

Định nghĩa các thông số giới hạn cảu bê tông:

Định nghĩa tính chất vật liệu cho cốt thép:

Thép dọc với đường kính 12mm:

• Môdun đàn hồi và hệ số Poisson

dạng song tuyến tính

Diện tích mặt cắt ngang của cốt thép

• Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệ ứng suất-biến

Thép vòng với đường kính 8mm:

• Môdun đàn hồi và hệ số Poisson

dạng song tuyến tính

• Định nghĩa vật liệu đàn dẻo lý tưởng, ứng xử theo mối quan hệ ứng suất-biến

• Diện tích mặt cắt ngang của cốt thép

Định nghĩa tính chất vật liệu cho tấm thép:

• Môdun đàn hồi và hệ số Poisson

60 TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Phùng Ngọc Dũng, Lê Thị Thanh Hà, Phân tích và thiết kế dầm bê tông cốt thép

chịu uốn trên tiết diện nghiêng theo ACI 318, EUROCODE 2 và TCVN 5574:2012,

Tạp chí KHCN xây dựng số 3/2014.

[2] Manh Hung Nguyen,Thuy Duong Tran, 2016, Experimental Studty on Flexural

Tiếng Việt

Strengthening of One – Way Reinforced Concrete Slabs Using Carbon and Glass

Federation (ACF 2016), Hà nội, ViệtNam.

[3] Phan Quang Minh và các tác giả, Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản,

Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2014.

[4] Tiêu chuẩn Việt Nam, Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, TCVN5574-

2012, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội 2012.

[5] TCVN 3118:1993. Bê tông nặng. Phương pháp xác định cường độ chịu nén.

[6] TCVN 5574: 2012 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế.

[7] Một số phương pháp gia cường kết cấu cột BTCT, Nguyễn Vĩnh Sáng.

Fiber Reinforced Polymer Sheets, The 7th International Conference of Asian Concrete

[8] Behavior of reinforced concrete columns strengthened by jacket, 2014.

[9] ACI 440.2R, 2002. Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP

Systems for Strengthening Concrete Structures, Reported by ACI Committee 440,

Tiếng Anh

[10] ACI 318-2005 (2005), Building Code Requirements for Structural Concrete

Farmington Hills, MI.

[11] EUROCODE 2-1992-1-1 (2003), Design for ConcreteStructures,

[12] Lawrence C.B., 2006, Composites for Construction: Structural Design and FRP

Materials, Published by John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NewJersey.

[13] FIP Bulletin No14, 2006, Externally Bonded FRP Reinforcement for RCstructures.

American ConcreteInstitute.

[14] ACI Committee 318 (2008), Building Code Requirementsfor Structural Concrete

(ACI 318-08) and Commentary (318R-08). Farmington Hills: American Concrete

Institute.

[15] Abdul Ghaffar, Development of shear capacity equations for rectangular

reinforced concrete beam, Pak. J. Engg. & Appl. Sci. Vol 6, Jan, 2010 (p1-8)

[16] Bentz, E.C., Vecchio, F.J., & Collins, M.P. (2006). Simplified Modified

Compression Field Theory for Calculating Shear Strength of Reinforced Concrete

Elements, ACI Structural Journal, v.103, n.4, pp.614 - 624.

[17] Collins, M.P., & Vecchio, F.J. (1986). The Modified Compression Field Theory

for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear, ACI Journal, v.83, n.2, pp.219-

231.

[18] http://tapchivatuyentap.tlu.edu.vn/Portals/10/So%2057/So%205700005.pdf

[19] https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1687404814000467-gr1.jpg

[20]

https://123doc.org//document/4140476-nghien-cuu-gia-cuong-ket-cau-be-tong-

cot-thep-bang-tam-composite-ung-dung-cho-cong-trinh-thuy-loi.htm

[21] http://thephongphat.com/thep-tam/

Trang web