Phương pháp tiếp xúc động không trơn ứng dụng trong mô hình hóa kết cấu gạch đá

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phương pháp tiếp xúc động không trơn là một phương pháp rời rạc, có nhiều ưu điểm trong mô hình hóa kết cấu gạch đá. Bài báo giới thiệu nguyên lý cơ bản của phương pháp và một số ví dụ áp dụng trong lĩnh vực này.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Phương pháp tiếp xúc động không trơn ứng dụng trong mô hình hóa kết cấu gạch đá

KHOA H“C & C«NG NGHª Phương pháp tiếp xúc động không trơn ứng dụng trong mô hình hóa kết cấu gạch đá Non-Smooth Contact Dynamics Method and its applications in modeling masonry structures Phan Thanh Lượng Tóm tắt 1. Đặt vấn đề Phương pháp tiếp xúc động không trơn Kết cấu gạch đá là một loại kết cấu được sử dụng khá phổ biến ở là một phương pháp rời rạc, có nhiều ưu Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt điểm trong mô hình hóa kết cấu gạch đá. là rất nhiều các công trình cổ. Với Bài báo giới thiệu nguyên lý cơ bản của mục đích bảo tồn các công trình lịch phương pháp và một số ví dụ áp dụng sử, cải tạo những công trình hiện có trong lĩnh vực này. cũng như xây dựng mới các công Từ khóa: phương pháp Phần tử rời rạc, phương trình, yêu cầu về mô hình hóa kết pháp tiếp xúc động, tiếp xúc động không trơn cấu gạch đá luôn được đặt ra. Từ trước đến nay đã có rất nhiều các nghiên cứu về lĩnh vực đã được Abstract thực hiện với các quy mô khác Hình 1. Mô hình tiếp xúc giữa hai phần Non-smooth dynamic contact is one of nhau. Các phương pháp được sử tử [4] discrete methods, which has advantages dụng chủ yếu hiện nay là phương in modeling masonry structures. The paper pháp Phần tử hữu hạn (Finite presents its fundamental principles and some Element Method - FEM) và Phần tử examples of its application in the domain. rời rạc (Discrete Element Method - Key words: Discrete Element Method, Contact DEM). Trong nghiên cứu của mình, Giamundo [1] và cộng sự đã tiến Dynamics Method, Non-Smooth Contact hành đánh giá các thuật toán khác Dynamics nhau trong mô hình hóa kết cấu gạch đá và đưa ra một số nhận xét: - Các công trình lịch sử bằng kết cấu gạch đá thường có cường độ kém, điều đó gây khó khăn cho việc mô hình hóa. - Cả FEM và DEM đều có thể sử dụng tốt cho mô hình hóa các kết cấu gạch có liên kết. - Với kết cấu gạch đá có liên kết yếu, ứng xử cơ học của mạch vữa có tính chất quyết định, do đó khuyến nghị sử dụng DEM. - Với kết cấu gạch đá có viên xây yếu, khi đó viên xây sẽ quan trọng, và DEM tỏ ra đáng tin cậy hơn. - Cả FEM và DEM đều không thể được xem là tin cậy trong tất cả các trường hợp. TS. Phan Thanh Lượng Như vậy, việc áp dụng DEM Hình 2. Quan hệ Signorini (trái) và Bộ môn Kết cấu Thép - Gỗ, Khoa Xây trong mô hình hóa kết cấu gạch đá định luật ma sát Coulomb (phải) [4] Dựng, Đại học Kiến Trúc Hà Nội là hoàn toàn phù hợp, nhất là trong Email: phanthanhluong@gmail.com trường hợp kết cấu có mạch vữa yếu hoặc khối xây gạch đá không vữa. Trong họ các phương pháp rời rạc, phương ĐT: 0904197411 pháp Tiếp xúc động không trơn (Non-Smooth Contact Dynamics - NSCD) có rất nhiều ưu thế về lĩnh vực này. Trong phần tiếp theo sẽ giới thiệu nguyên lý cơ bản, một số đặc điểm và ví dụ áp dụng phương pháp này trong mô hình hóa kết cấu gạch đá. Ngày nhận bài: 28/5/2019 2. Phương pháp tiếp xúc động không trơn Ngày sửa bài: 31/5/2019 Sự khác nhau cơ bản của các phương pháp rời rạc và các phương pháp liên tục là Ngày duyệt đăng: 05/5/2020 ở trạng thái của các phần tử. Trong các phương pháp liên tục (FEM, FDM, BEM,…), 54 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
Hình 3. Phân phối áp lực đứng trong kết cấu, mô hình 3D đấu trường Nimes Hình 4. Pont du Gard và sơ đồ phân phối áp lực đứng trong mô hình 3D trạng thái cân bằng của các phần tử và của cả hệ luôn là một Xét tiếp xúc α giữa hai phần tử i và j (hình 1). Định luật trạng thái cân bằng tĩnh, do đó không liên quan tới vấn đề Signorini áp dụng cho tiếp xúc được xây dựng dựa trên hai thời gian. Còn trong bài toán rời rạc, trạng thái cân bằng là giả thiết: không chồng lấn và không hấp dẫn. Điều này có cân bằng động, các phần tử luôn có xu hướng dịch chuyển. nghĩa là không có sự “chờm” lên nhau giữa các phần tử (δn ≥ Vì thế, việc mô hình hóa một hệ rời rạc phải được xét với một 0) và không xét đến lực hấp dẫn giữa chúng (fn ≥ 0). Khi đó, khoảng thời gian T nhất định giữa hai thời điểm cụ thể nào mối quan hệ giữa khoảng cách δn và thành phần pháp tuyến đó. Một kỹ thuật được sử dụng phổ biến trong các phương của lực tiếp xúc fn giữa hai phần tử có thể được biểu diễn pháp rời rạc là chia T thành những bước thời gian ∆t đủ nhỏ như dạng thứ nhất của trạng thái ứng suất phẳng: để trong khoảng thời gian đó trạng thái của phần tử (vị trí, δn.fn = 0 (1) vận tốc, lực tác dụng, ứng suất, biến dạng,…) là không thay Công thức (1) có thể được hiểu khi hai phần tử chưa tiếp đổi hay “tĩnh”. Việc lựa chọn bước thời gian hay ảnh hưởng xúc (δn > 0) thì chưa có lực tiếp xúc (fn = 0) và ngược lại chỉ của nó đến sự cân bằng của hệ cũng là một vấn đề cần giải có lực tiếp xúc (fn> 0) khi hai phần tử tiếp xúc với nhau (δn quyết của các thuật toán rời rạc. = 0). Trong phương pháp phần tử rời rạc, sự cân bằng về lực Định luật ma sát trượt Coulomb hay dạng thứ hai củaứng và chuyển vị của một hệ các phần tử được xác định thông suất phẳng xác định quan hệ giữa lực trượt (thành phần tiếp qua hàng loạt các tính toán truy xuất chuyển dịch của các tuyến) ft và và vận tốc trượt ut tại điểm tiếp xúc: phần tử đơn. Những dịch chuyển này là kết quả của một quá trình truyền sóng thông qua một môi trường hỗn độn xuất if ‖ut‖ =ifu=0 t: ‖ft0‖ :≤ft fn≤ µfn phát từ các biên. Tốc độ truyền sóng là một hàm của các tính  chất cơ học của môi trường rời rạc. Phương pháp phần tử ififu‖u ≠ 0 :f = µf , u = −kft , k-kf t t‖ ≠ 0t : ‖ft‖n = tμfn, ut = ≥t,0k ≥ 0 (2) rời rạc được xây dựng dựa trên giả thiết rằng bước thời gian với μ là hệ số ma sát. được chọn đủ nhỏ để trong mỗi bước thời gian đó sự hỗn Công thức (2) có thể được giải thích như sau: khi không độn chỉ có thể truyền từ một phần tử sang những phần tử tiếp có sự trượt tương đối giữa hai phần tử (ut = 0) thì lực gây xúc trực tiếp với nó. Như vậy, tại mọi thời điểm các lực tác trượt không lớn hơn lực ma sát (ft ≤ mfn), còn khi xảy ra sự dụng lên mỗi phần tử chỉ được xác định thông qua lực tương trượt (ut ≠ 0) thì lực trượt bằng lực ma sát (ft = μ fn) và biến tác với các phần tử tiếp xúc với nó. dạng trượt ut tỷ lệ với lực trượt ft. Với NSCD, lực tương tác giữa các phần tử được giả thiết Với việc sử dụng các quy tắc về tiếp xúc như trên, phương tuân theo hai luật cơ bản về tiếp xúc:quan hệ Signorini và pháp NSCD có năng lực rất mạnh trong việc mô tả các loại định luật trượt của Coulomb [2][3]. S¬ 38 - 2020 55
KHOA H“C & C«NG NGHª tiếp xúc khác nhau. Ở đây chỉ trình bày hai quan hệ tiếp xúc của Signorini và Coulomb nhưng các dạng quy tắc khác cũng có thể sử dụng cho các trường hợp khác nhau. Giả sử sự đàn hồi cục bộ giữa các phần tử tham gia tiếp xúc là một vấn đề đáng quan tâm, ví dụ như sự đàn hồi của mạch vữa giữa các viên gạch, chúng ta có thể đưa vào trong thuật toán bằng một điều chỉnh nhỏ của các tham số. Tương tự, chúng ta có thể xét đến một hệ số trượt động hay các mô hình có lực dính một cách tự nhiên. Bằng cách này, NSCD cho phép mô tả một cách rõ ràng hơn tiếp xúc giữa các phần tử từ đó giải quyết một cách trực tiếp và chính xác các bài toán phức tạp với các kiểu tiếp xúc đa dạng (điểm, đường, mặt) của các đối tượng có hình dạng phong phú (tròn, dẹt, đa giác, lồi, lõm,…), có kích thước khác nhau và dạng tiếp xúc phức tạp (trơn, ma sát, dính). Cũng do việc tập trung vào tiếp xúc giữa các phần tử, kết quả phân tích sẽ cho chúng ta các giá trị cụ thể về lực liên kết, ứng suất, chuyển vị hay biến dạng,… của từng phần tử, giúp chúng ta xác định được các vị trí nguy hiểm trong hệ kết cấu, phù hợp với các bài toán trong xây dựng. Nhờ những đặc điểm trên, NSCD có thế mạnh nhất định trong việc mô hình hóa kết cấu gạch đá, trong nhiều trường hợp có hình dạng, kích thước phong phú với những dạng tiếp xúc khác nhau, phù hợp với mục đích nghiên cứu và Hình 5. Cầu thang kiểu Ridolfi tại triển tính toán kiểm tra, đặc biệt trong trường hợp bảo tồn, duy tu lãm Verona 2005 những công trình lịch sử. 3. Một số công trình áp dụng NSCD trong tính toán kết 3.2. Cầu dẫn nước Pont du Gard cấu gạch đá Cầu dẫn nước Pont du Gard nằm ở vùng Gard thuộc 3.1. Đấu trường La Mã ở Nimes miền nam nước Pháp. Đây là một công trình nổi tiếng trong Đấu trường La Mã nằm ở trung tâm thành phố Nimes, lịch sử kiến trúc thế giới và cũng là một trong những công cộng hòa Pháp. Công trình gần 2000 năm tuổi này rất gắn bó trình biểu tượng của nước Pháp. Cây cầu được xây dựng với đời sống văn hóa và tinh thần của người dân nơi đây. Với từ thế kỷ I, dưới thời kỳ La Mã, với những thông số và kỹ sức chứa khoảng 24000 người, cho đến hiện nay công trình thuật đáng kinh ngạc. Hiện nay công trình này vẫn là một vẫn được sử dụng trong các lễ hội đấu bò hàng năm cũng điểm tham quan thu hút rất đông khách du lịch. Tuy nhiên, như các sự kiện văn hóa khác. Vì thế, việc tính toán kiểm tra trải qua thời gian, cây cầu vẫn đang liên tục bị dòng nước khả năng làm việc của công trình phục vụ cho công tác duy gây xói mòn, dẫn tới nguy cơ gây mất an toàn cho công trình. tu, bảo tồn là rất quan trọng. Nằm trong dự án bảo tồn, sửa chữa, gia cố công trình, nhóm Công trình đã được mô hình hóa với các mô hình 2D và nghiên cứu của B. Chetouane [6] đã xây dựng mô hình rời 3D [5]. Các loại tải trọng tính toán đã được đưa vào để kiểm rạc bằng NSCD nhằm xác định, kiểm tra khả năng chịu lực tra sức chịu tải của các cấu kiện đá. Tải trọng động đất cũng của công trình trong những tình huống bất lợi. được xét đến dưới dạng một dao động điều hòa. Các kết quả 3.3. Cầu thang kiểu Ridolfi phân tích cho phép xác định những vị trí nguy hiểm của kết Đây là một cầu thang tự đứng với các bậc được làm bằng cấu cũng như đưa ra phương án gia cố, sửa chữa cần thiết. đá nguyên khối và một hệ thống cáp ứng lực trước ở bên Hình 3 thể hiện sơ đồ phân phối áp lực đứng lên từng viên trong. Loại kết cấu hiện đại này là một tác phẩm của GS.TS. đá trong kết cấu. Vị trí có màu đỏ là nơi có áp lực đứng lớn KTS. C. d’Amato và đồng nghiệp tại đại học Bari, Italy đã nhất với giá trị khoảng 420 kN. được giới thiệu tại triển lãm quốc tế về đá tại Verone năm 2005. Kết cấu được lắp dựng tại chỗ với liên kết khô không vữa và căng cáp trực tiếp. Tuy nhiên việc lựa chọn hình dạng, kích thước, lựa chọn vật liệu cũng như số lượng và đường kính cáp là hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế. Do đó, việc mô hình hóa để kiểm tính khả năng chịu lực thực sự cũng như xác định đường kính và lực căng cáp là cần thiết để có thể đưa loại kết cấu này vào sử dụng trong thực tế. LMGC cho phép xây dựng mô Hình 6. Xây dựng mô hình hình học của kết cấu cầu thang kiểu Ridolfi [7] hình số của kết cấu này với mỗi 56 T„P CHŠ KHOA H“C KI¦N TR”C - XŸY D¼NG
bậc cầu thang là một phần tử có hình dạng rất phức tạp với 4. Kết luận và kiến nghị các mặt phẳng và cong, lồi và lõm. Các cáp ứng lực trước Nội dung bài báo đã giới thiệu nguyên lý cơ bản và một được mô tả bằng liên kết dạng dây căng giữa các điểm được số đặc trưng của phương pháp tiếp xúc động không trơn. bổ sung bên trong phần tử, lực căng trước được biểu diễn Phương pháp này cho thấy sự phù hợp để sử dụng trong bằng một biến dạng ban đầu của dây căng này. Đồng thời, việc mô hình hóa tính toán kết cấu gạch đá. các dạng tải trọng tĩnh, tải trọng di động được đưa vào để Các ví dụ thực tế cho thấy việc ứng dụng NSCD trong mô tả quá trình sử dụng cũng như dựng lắp kết cấu này. Kết tính toán kết cấu gạch đá là hợp lý, có thể tính toán những quả phân tích cho phép xác định lực căng trong cáp, áp lực công trình có quy mô lớn hoặc phần tử có hình dạng phức giữa bề mặt tiếp xúc của các bậc cũng như giữa bậc dưới tạp và cho kết quả phân tích với mức độ chi tiết yêu cầu. cùng và đế, và một thông số quan trọng nữa là chuyển vị của các bậc, đặc biệt là bậc trên cùng. Từ đó, ta có thể kiểm tra Phương pháp tiếp xúc động không trượt mặc dù không khả năng chịu lực của cáp cũng như của bậc đá. Ngoài ra, phải là một phương pháp mới, nhưng vẫn còn ít được biết sự ảnh hưởng của một số yếu tố như hệ số ma sát giữa các đến ở Việt Nam nên cần được giới thiệu rộng rãi hơn nữa./. bậc, sai số bề mặt, cách chất tải cũng như lực căng cáp đến sự làm việc của kết cấu cũng được khảo sát. T¿i lièu tham khÀo 5. A. Rafiee, M. Vinches, C. Bohatier (2008),Modelling and analysis of the Nîmes arena and the Arles aqueduct subjected 1. V. Giamundo, V. Sarhosis, G. P. Lignola, Y. Sheng, and G. to a seismic loading, using the Non-Smooth Contact Dynamics Manfredi (2014), “Evaluation of different computational method, Engineering Structures 30, 3457–3467 modelling strategies for the analysis of low strength masonry structures” Eng. Struct., vol. 73, pp. 160–169, Aug. 2014. 6. B. Chetouane, F. Dubois, M. Vinches, and C. Bohatier (2005), “NSCD discrete element method for modelling masonry 2. J.J. Moreau, P.D. Panagiotopoulos, Eds. (1988), Nonsmooth structures” Int. J. Numer. Methods Eng., vol. 64, no. 1, pp. Mechanics and Applications, Springer Vienna 65–94, Sep. 2005. 3. M. Jean (1999), The non-smooth contact dynamics method, 7. L. Phan (2015), Etude des structures en maçonnerie du Comput. Methods Appl. Mech. Eng., vol. 177, no. 3–4, pp. génie civil par la méthode des éléments discrets: apports de 235–257, Jul. 1999. la méthode “Non Smooth Contact Dynamics”, University 4. F. Radjai and V. Richefeu (2009), Contact dynamics as a Montpellier nonsmooth discrete element method, Mech. Mater., vol. 41, no. April, pp. 715–728. Tối ưu tiết diện kết cấu tháp thép dạng giàn... (tiếp theo trang 53) đồ thị trên Hình 7 cho thấy GA xét đến nhiều giải pháp và TCVN sẽ khó khăn hơn đặc biệt tính tải trọng gió động lên chọn lấy giải pháp tương đối tốt nếu không nói là tối ưu. kết cấu, do đó cần nghiên cứu thêm khi tính theo TCVN. Thuật giải di truyền rất hiệu quả trong việc xử lý các bài Ngoài ra, có thể nghiên cứu áp dụng thuật giải di truyền vào toán phức tạp nhiều biến khác nhau và người sử dụng có thể bài toán tối ưu cấu trúc hay tối ưu hình dáng của tháp thép dễ dàng bổ sung các yêu cầu mới không nhất thiết phải kiểm dạng giàn./. tra mối liên hệ với các yêu cầu cũ. Trong bài báo này, việc tính toán tải trọng và cấu kiện theo tiêu chuẩn TIA-222-G khá đơn giản, nếu tính toán theo T¿i lièu tham khÀo 6. Erbatur, F., Hasançebi, O., Tütüncü, İ. and Kılıç, H.. “Optimal design of planar and space structures with genetic algorithms” 1. Nguyễn Trọng Tuyển, Sử dụng thuật giải di truyền tính toán tối Computers and Structures, 75(2), 209-224, 2000. ưu kết cấu tháp thép dạng dàn. Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, 2018. 7. Šešok, Dmitrij & Belevičius, Rimantas.. Global optimization of trusses with a modified genetic algorithm. Journal of Civil 2. Trương Mạnh Khuyến, Tính toán tối ưu kết cấu dàn mái không Engineering and Management. 14. pp. 147-154, 2010. gian theo thuật giải di truyền, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng. 8. CALFEM-A Finite Element Toolbox Version3.4. The Division of Structural Mechanics at Lund University, 2004. 3. Phạm Huy Cương, Tính toán tối ưu hóa dàn không gian theo thuật giải di truyền, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, Trường Đại học 9. ANSI/TIA-222-G, Structural Standard for Antenna, Supporting Xây dựng, 2004. Structures and Antennas, 2006. 4. Adeli, H. and Kumar, S.. “Distributed genetic algorithm for 10. AISC LRFD-99, Load and Resistance Factor Design Specification structural optimization”. Journal of Aerospace Engineering, Vol. for Structural Steel Buildings, 1999. 8, No. 3, pp. 156–163, 1995. 5. Adeli, H. and Sarma, K.. Cost optimization of structures — Fuzzy logic, genetic algorithms, and parallel computing, John Wiley and Sons, West Sussex, United Kingdom, 2006. S¬ 38 - 2020 57