Tài liệu Luận văn phân tích ứng xử dầm bê tông cốt cứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

i LỜI CẢM ƠN Thực tế luôn cho thấy, sự thành công nào cũng đều gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ của những người xung quanh cho dù sự giúp đỡ đó là ít hay nhiều, trực tiếp hay gián tiếp. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu làm luận văn đến nay, tôi đã nhận được sự quan tâm, chỉ bảo, giúp đỡ của thầy cô, gia đình và đồng nghiệp. Với tấm lòng biết ơn vô cùng sâu sắc, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý Thầy Cô của Trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An đã dùng những tri thức và tâm huyết của mình để có thể truyền đạt cho tôi vốn kiến thức quý báu suốt thời gian học tập tại trường. Học viên xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Trương Tích Thiện đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Nhờ có những lời hướng dẫn, dạy bảo đó, bài luận văn này của tôi đã hoàn thành một cách suất sắc nhất. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Trường Đại học Kinh Tế Công Nghiệp Long An, khoa Kiến trúc xây dựng đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Bài luận văn được thực hiện trong 06 tháng. Vì vốn kiến thức có hạn, nên không tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và các anh (chị) học viên trong lớp bài luận văn được hoàn thiện hơn.. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Bạch Thanh Vũ ii BẢN CAM KẾT 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 Bạch Thanh Vũ iii TÓM TẮT Luận văn sử dụng chương trình ANSYS – chương trình tính toán được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn – để phân tích ứng xử dầm bê tông cốt cứng. Luận văn đã thực hiện được hai bài toán, kết quả tính toán có so sánh với kết quả từ các thí nghiệm. ABSTRACT In this thesis, ANSYS – the engineering simulation software based on the finite element method – is used to analyze behaviour of reinforced concrete beam. Two model is analyzed, results from ANSYS is also compared with result of experiment. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................... i BẢN CAM KẾT ....................................................................................................................... ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................................vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................................. x Chương 1.TỔNG QUAN ........................................................................................................ 1 1.1. Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp thép – bê tông .............................................. 1 1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài ............................................................................... 3 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước ...................................................................................... 3 1.2.2. Nghiên cứu trong nước ...................................................................................... 3 1.3. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 4 1.4. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................. 4 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 5 1.6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 6 1.7. Lợi ích của đề tài........................................................................................................ 6 1.7.1. Lợi ích khoa học .................................................................................................. 6 1.7.2. Lợi ích thực tiễn .................................................................................................. 6 Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................................ 7 2.1. Giới thiệu vê vật liệu bê tông ................................................................................... 7 2.1.1. Cường độ chịu nén ............................................................................................. 7 2.1.2. Quan hệ ứng suất -biến dạng cho bê tông chịu tải trọng nén một trục.......... 9 2.1.3. Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng trong bê tông thường ............................ 12 2.1.4. Đường cong ứng suất - biến dạng đối với bê tông chịu kéo .......................... 15 2.1.5. Các đặc trưng của bê tông ............................................................................... 16 2.1.6. Quan hệ ứng suất - biến dạng cho bê tông chịu tải trọng hai trục ................ 18 2.2. Các mô hình vật liệu bê tông .................................................................................. 20 v 2.2.1. Mô hình của Hognestad (1951) ....................................................................... 20 2.2.2. Mô hình của Mendis (2001) ............................................................................. 22 2.3. Các đặc trưng cơ tính của thép .............................................................................. 24 2.4. Mô hình vật liệu thép .............................................................................................. 25 2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn .............................................................................. 26 2.5.1. Giới thiệu........................................................................................................... 26 2.5.2. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn trong ANSYS .......................................... 28 2.6. Phân tích kết cấu bằng chương trình ANSYS ......................................................... 34 Chương 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ DẦM BÊ TÔNG CỐT CỨNG BẰNG CHƯƠNG TRÌNH ANSYS 36 3.1. Mô hình bài toán dầm ............................................................................................ 36 3.1.1. Mô hình hình học ............................................................................................. 36 3.1.2. Thông số vật liệu............................................................................................... 37 3.1.3. Mô hình PTHH ................................................................................................... 41 3.1.4. Tải trọng – điều kiện biên ................................................................................ 42 3.1.5. Kết quả phân tích.............................................................................................. 43 3.2. Khảo sát ảnh hưởng của thép hình đến khả năng chịu lực của dầm. .................. 49 3.3. Nhận xét .................................................................................................................. 50 Chương 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 51 4.1. Kết luận .................................................................................................................... 51 4.1.1. Những nội dung đã làm được .......................................................................... 51 4.1.2. Những nội dung còn thiếu sót ......................................................................... 51 4.2. Kiến nghị .................................................................................................................. 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 53 PHỤ LỤC CODE ANSYS ....................................................................................................... 55 vi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Giá trị α dùng để tính đổi kết quả thử về cường độ mẫu chuẩn ............. 9 Bảng 3.1. Thông số kích thước thiết diện ngang và cường độ vật liệu dầm FEB [2] .......................................................................................................................... 37 Bảng 3.2. Bảng cấp phối bê tông [2] .................................................................... 37 Bảng 3.3. Thông số vật liệu của bê tông [2] ......................................................... 38 Bảng 3.4. Thông số vật liệu của thép .................................................................... 39 Bảng 3.5. Thông số vật liệu của thép .................................................................... 40 Bảng 3.6. Kết quả độ võng giữa dầm tính bằng ANSYS với các mức tải khác nhau ....................................................................................................................... 43 Bảng 3.7. Bảng thông số ds và bf .......................................................................... 49 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Các dạng tiết diện dầm – cột liên hợp thép bê tông [3] ......................... 1 Hình 2.1. Máy thí nghiệm nén mẫu trụ tròn ........................................................... 7 Hình 2.2. Mẫu thử dùng cho thí nghiệm nén .......................................................... 8 Hình 2.3. Mô hình thí nghiệm nén .......................................................................... 9 Hình 2.4. Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông chịu kéo nén một trục .......... 11 Hình 2.5. Hệ số giãn nở cho bê tông chịu tải trọng nén một trục ......................... 12 Hình 2.6. (a) Quan hệ giữa ứng suất - biến dạng; (b) Ảnh hưởng của tốc độ gia tải........................................................................................................................... 13 Hình 2.7. Thí nghiệm kiểm soát theo mức độ gia tải và mức độ biến dạng ......... 14 Hình 2.8. Đường cong ứng suất-biến dạng đối với bê tông chịu kéo ................... 16 Hình 2.9. Thí nghiệm khối trụ chẻ ........................................................................ 16 Hình 2.10. Phương pháp xác định các loại mô đun đàn hồi ................................. 17 Hình 2.11. Sự phân bố ứng suất hai trục .............................................................. 18 Hình 2.12. Độ bền và các dạng phá hỏng của bê tông chịu các ứng suất hai trục 19 Hình 2.13. Mô hình ứng suất biến dạng Hognestad và Todeschini ...................... 21 Hình 2.14. Mô hình ứng suất - biến dạng Mander ................................................ 21 Hình 2.15. Mô hình Mendis .................................................................................. 23 Hình 2.16. Quan hệ ứng suất - biến dạng của thép ............................................... 25 Hình 2.17. Quan hệ ứng suất - biến dạng của thép ASTM A615 Grade60 .......... 26 Hình 2.18. Phần tử khối bê tông Solid65 .............................................................. 29 Hình 2.19. Các mô hình cốt thép trong bê tông cốt thép ...................................... 29 Hình 2.20. Mô hình phần tử LINK180 trong ANSYS.......................................... 30 Hình 2.21. Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS ....................................... 31 Hình 2.22. Đường cong ứng suất- biến dạng của bê tông .................................... 34 viii Hình 2.23. Đường cong ứng suất- biến dạng của thép ......................................... 34 Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm dầm [2] ................................................................. 36 Hình 3.2. Mặt cắt ngang dầm FEB [2] .................................................................. 37 Hình 3.3. Đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu bê tông 300 [2] .............. 38 Hình 3.4. Đường cong ứng suất biến dạng của thép thu được từ thí nghiệm kéo đơn trục [2] ........................................................................................................... 39 Hình 3.5. Mô hình đàn – dẻo song tuyến tính cho thép ........................................ 40 Hình 3.6. Đường cong ứng suất biến dạng của thép thu được từ thí nghiệm kéo đơn trục [2] ........................................................................................................... 41 Hình 3.7. Mô hình ½ dầm trong ANSYS ............................................................. 42 Hình 3.8. Mô hình PTHH của dầm ....................................................................... 42 Hình 3.9. Mô hình PTHH của cốt thép và thép hình trong dầm ........................... 42 Hình 3.10. Hình ảnh minh họa điều kiện biên và tải trọng ................................... 43 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn kết quả độ võng giữa dầm theo giá trị lực tăng dần [2]................................................................................................................................... 44 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn kết quả độ võng giữa dầm tính toán từ ANSYS theo giá trị lực tăng dần ................................................................................................ 44 Hình 3.13. Kết quả độ võng giữa dầm với mức tải 5000N ................................... 45 Hình 3.14. Kết quả độ võng giữa dầm với mức tải 10000N ................................. 45 Hình 3.15. Kết quả độ võng giữa dầm với mức tải 13300N ................................. 46 Hình 3.16. Trường ứng suất tương đương von-Mises trong cốt thép tại mức tải 13.3kN................................................................................................................... 47 Hình 3.17. Trường ứng suất tương đương von-Mises trong thép hình tại mức tải 13.3kN................................................................................................................... 47 Hình 3.18. Vết rạn xuất hiện trong bê tông tại mức tải 13.3kN ........................... 48 Hình 3.19. So sánh kết quả độ võng giữa dầm giữa ANSYS và thí nghiệm ........ 49 ix Hình 3.20. Kết quả độ võng của dầm tương ứng với 3 trường hợp thép hình chữ I có kích thước khác nhau ....................................................................................... 50 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Tên đầy đủ PP PTHH Ý nghĩa Phương pháp phần tử hữu hạn FEB Fully Enscaped beam FEM Finite Element Method E Module đàn hồi  Hệ số Poisson fy Cường độ tính toán thép theo giới hạn chảy của vật liệu G Mô đun trượt  1 , 2 , 3 Các ứng suất chính fC Độ bền nén đơn trục của bê tông Bề mặt phá hủy được xác định từ năm S  ah thông số f t , f c , f cb , f1 , f 2 Trạng thái ứng suất thủy tĩnh trong điều kiện môi trường xung quanh 1 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp thép – bê tông Lịch sử phát triển của việc dùng kết cấu hỗn hợp thép-bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Thực chất kết cấu này là một cá biệt của kết cấu BTCT. Do tính chất cấu tạo của cốt thép khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, phần tiết diện thép có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép dạng khung..., nó có thể nằm ngoài (ta thường gọi là kết cấu thép nhồi bê tông: Concrete filled Steel Structures), hay có thể nằm bên trong bê tông (gọi là kết cấu bọc bê tông: Concrete encased Steel Structures), có thể nằm trong hai thớ khác nhau của tiết diện, hoặc bố trí cùng với cốt thép thường. Vì vậy, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt tròn) và do đó việc thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hoàn toàn khác[1]. Hình 1.1. Các dạng tiết diện dầm – cột liên hợp thép bê tông [3] Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và nhà siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng 2 đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng. Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông. Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và bê tông cốt thép cùng kết hợp tham gia chịu lực. Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ. Ở nước ta, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu [1,2]. Thông thường thiết kế dầm thép - BTCT liên hợp phải thỏa mãn điều kiện về độ bền cực hạn, độ võng và dao động ở mức độ bình thường. Với yêu cầu tính toán thiết kế độ bền uốn, quan điểm xem chỉ có lõi thép hình bên trong chịu lực là kém chính xác khi bỏ qua tỷ lệ tham gia đáng kể của thành phần bê tông. Với yêu cầu tính toán thiết kế độ võng, xác định thông số mômen quán tính tương đương (Ieff) của tiết diện liên hợp là rất quan trọng cho phép cả hai thành phần thép hình và bê tông có đáp ứng đàn hồi như nhau. Dựa trên giả thiết về tương tác toàn phần, điều này có thể thực hiện được bằng chuyển đổi diện tích một thành phần (thép hình, hay thép thanh, hay bê tông) thành diện tích tương đương bằng cách chia cho tỷ số môđun  e  E0 / Ee , với Eo là môđun đàn hồi cơ sở và Ee là môđun đàn hồi của thành phần đó [4]. Việc tính toán thông số Ieff cần phải xem xét trạng thái nứt và chưa nứt của bê tông, tuy nhiên vấn đề này lại phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa bê 3 tông và thép, mà trong đó sự trượt giữa phần thép hình và bê tông là yếu tố không thể bỏ qua. Ngày nay, để thu hút được sự quan tâm của khách hàng, các kết cấu mới được thiết kế phải vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định vừa phải đảm bảo tính thẩm mỹ. Do đó, người chúng ta cần phải thực hiện nhiều nghiên cứu để có một sự hiểu biết đúng về các ứng xử cơ học của những kết cấu mới đó. 1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài 1.2.1. Nghiên cứu ngoài nước Kết cấu liên hợp thép bê tông đã phát triển từ rất sớm tại các nước phát triển, và với nhiều ưu điểm của nó trong ngành xây dựng đã thu hút được nhiều nghiên cứu từ các nhà khoa học. Một số công bố của các nhà nghiên cứu về ứng xử của dầm liên hợp thép bê tông trong thời gian gần đây: - Mazen AL-Bdoor (2013) [13] thực hiện luận văn thạc sỹ về đề tài ứng xử cột bê tông cốt cứng dưới tác động của tải trọng ngang tuần hoàn. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích bất ổn định, kết quả mô phỏng được so sánh với thực nghiệm và kết quả tính theo tiêu chuẩn EC4. - K. D. Tsavdaridis (2010) công bố kết quả nghiên cứu về ứng xử cắt dọc của dầm bê tông cốt cứng (PEB). Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được dùng để phân tích nứt cho mô hình, kết quả được kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Eva Maria Regy, Basil Sabu (2017) đã nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt cứng dưới tác động của lửa dựa trên phương pháp PTHH. 1.2.2. Nghiên cứu trong nước - Huỳnh Phúc Linh và Hồ Hữu Chỉnh (2011) [2] đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết tính toán và khảo sát thực nghiệm về ứng xử và độ bền của dầm 4 bê tông cốt cứng với cốt cứng là thép hình chữ I. Trong nghiên cứu này, PP PTHH cũng được sử dụng để mô phỏng ứng xử uốn của dầm. - Hàn Ngọc Đức và Vũ Anh Tuấn (2011) [4] đã nghiên cứu xây dựng quá trình tự động hóa thiết kế tối ưu dầm liên hợp thép bê tông sử dụng tiết diện chữ I tổ hợp theo tiêu chuẩn thiết kế Eurocode 4. Phương pháp tối ưu được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp thiết kế tối ưu sử dụng DE-A. 1.3. Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập niên gần đây, sự phát triển của ngành công nghiệp xây dựng đặc biệt trong xây dựng cao ốc, yêu cầu về mặt kiến trúc, kỹ thuật, kinh tế rất cao. Nên việc lựa chọn giải pháp kiến trúc, kết cấu là một vấn đề lớn đặt ra cho ngành thiết kế xây dựng. Giải pháp sử dụng kết cấu bê tông cốt thép cổ điển không đáp ứng được yêu cầu, việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thông thường sẽ làm kích thước của tiết diện quá to, hàm lượng thép cũng rất lớn. Cùng với sự phát triển của thép và bê tông cường độ cao thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép-bê tông đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra trong xây dựng. Ngày nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong kết cấu hiện đại và đã thể hiện được những ưu điểm trong quá trình sử dụng. Đặc biệt với các nhà có chiều cao lớn (khoảng > 40 tầng), biên độ giao động ở đỉnh nhà sẽ lớn, đòi hỏi khả năng biến dạng đàn hồi của kết cấu tăng theo, kết cấu thép dễ đáp ứng yêu cầu này. Do đó, kết cấu dầm liên hợp thép – bê tông thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt là dầm bê tông cốt cứng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, những công bố về phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứngcòn ít, và đa phần tập trung vào phương pháp nghiên cứu theo các tiêu chuẩn tính của nước ngoài. Vì vậy, trong luận văn này, tác giả chọn đề tài “Phân tích ứng xử dầm bê tông cốt cứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trương Tích Thiện. 1.4. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này được thực hiện nhằm đáp ứng 3 mục tiêu sau: 5 - Mục tiêu 1: Dầm bê tông cốt cứng là một loại kết cấu đặc biệt thuộc dạng dầm liên hợp thép – bê tông. Điểm đặc biệt của loại dầm này là thép hình được đặt hoàn toàn trong bê tông thay vì liên kết ngoài như các loại dầm liên hợp khác. Do đó, lý thuyết tính toán ứng xử của loại dầm này cũng có những điểm khác biệt so với dầm liên hợp thông thường. Thông qua quá trình thực hiện luận văn, học viên tìm hiều các lý thuyết tính toán cho dầm bê tông cốt cứng. Ngoài ra, học viên cũng tìm hiểu và nghiên cứu về các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông, thép, đặc biệt là các thông số cơ học của các loại vật liệu này khi mô hình trong ANSYS. - Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là phương pháp phổ biến được áp dụng thành công cho nhiều dạng bài toán trong đó có các bài toán phân tích kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Do đó, mục tiêu thứ 2 của luận văn là tìm hiểu PP PTHH cho kết cấu BTCT nói chung và dầm bê tông cốt cứng nói riêng, cụ thể, luận văn cần tìm hiểu các loại phần tử dùng để mô hình cho bê tông, thép dọc và thép hình; cũng như qui trình phân tích bài toán kết cấu BTCT bằng PP PTHH. - ANSYS – chương trình tính toán số mạnh mẽ được xây dựng trên nền tản PP PTHH– được chọn để thực hiện các bài toán trong luận văn. Do đó, mục tiêu thứ 3 của luận văn là tập trung nghiên cứu cách sử dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứng.Tính toán kiểm tra bền kết cấu cũng như phân tích ứng xử rạn nứt kết cấu. 1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầm bê tông cốt cứng Phạm vi nghiên cứu: - Phân tính ứng xử của dầm bê tông cốt cứng dưới tác động của tải trọng tĩnh. - Vật liệu được sử dụng để tính toán trong luận văn có các thông số sát với các loại vật liệu ngoài thực tế. 6 - Với một mô hình dầm, luận văn tập trung phân tích ứng xử của dầm với cốt cứng là thép hình I. 1.6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về ưu nhược điểm của các loại dầm liên hợp. Khái quát hóa tình hình nghiên cứu trong nước. Dựa trên cơ sở này để lựa chọn mô hình nghiên cứu của luận văn. - Tìm kiếm các tài liệu lý thuyết và bài báo khoa học phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứng, làm cơ sở so sánh với kết quả phân tích từ phần mềm. - Sử dụng chương trình ANSYS để mô hình và phân tích các dạng ứng xử của các mô hình dầm đã được lựa chọn. Kết quả tính toán trong phần mềm được đánh giá thông qua sự so sánh với các bài báo khoa học. 1.7. Lợi ích của đề tài 1.7.1. Lợi ích khoa học Nghiên cứu lý thuyết phần tử hữu hạn về phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứng áp dụng trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp, và sử dụng vào Việt Nam. 1.7.2. Lợi ích thực tiễn Vấn đề ứng dụng các chương trình PTHH để phân tích ứng xử dầm bê tông cốt cứng có ý nghĩa thực tiễn đặc biệt quan trọng. Vì mô hình dầm được xây dựng trong máy tính nên việc thay đổi các kích thước hình học cũng như mô hình vật liệu là rất đơn giản. Đồng thời, ta có thể tiến hành phân tích dưới nhiều dạng tải trọng, giúp chúng ta tiết kiệm được chi phí và thời gian thí nghiệm. 7 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giới thiệu vê vật liệu bê tông Ngày này việc sử dụng vật liệu bê tông cốt thép trở nên phổ biến bởi vì những ưu điểm của nó như là khả năng chống cháy cao, hợp lý về mặt giá thành so với các loại vật liệu khác. Vật liệu bê tông cốt thép được ra đời đầu tiên năm 1849 bởi một người thợ làm vườn người Pháp Joseph Monier(MacGregor and Wight, 2011).Một trong những công trình đầu tiên sử dụng vật liệu này là một ngôi nhà xây tại Mỹ năm 1875. Vật liệu bê tông cốt thép bắt đầu phát triển mạnh mẽ từ đầu thế kỷ 20. Năm 1903, tòa nhà Ingalls 15 tầng cao 210 ft sử dụng vật liệu bê tông cốt thép được xem là tòa nhà cao tầng nhất tại thời điểm hiện tại(Wilde, 2004). Năm 1962, tòa nhà Chicago gồm 60 tầng đánh dấu một sự phát triển mạnh mẽ việc sử dụng vật liệu bê tông cốt thép cho nhà cao tầng. Trong những năm gần đây, gia tăng dân số đã gây ra áp lực lớn về nhu cầu nhà ở. Nhà cao tầng được xem như là một phương pháp hiệu quả để giải quyết nhu cầu trên. Các đặc trưng cơ tính của bê tông 2.1.1. Cường độ chịu nén Cường độ của vật liệu bê tông trong thí nghiệm nén đơn được sử dụng nhiều trong tính toán kết cấu công trình. Lý do của việc chọn sơ đồ thí nghiệm này là vì thí nghiệm đơn giản và dễ dàng xác định được các tính chất cơ học như là cường độ và mô đun đàn hồi. Hình 2.1. Máy thí nghiệm nén mẫu trụ tròn 8 Bê tông là vật liệu hỗn hợp không đồng nhất và cường độ chịu nén phụ thuộc vào tuổi, kích thước, hình dạng của mẫu thí nghiệm, tốc độ gia tải, lịch sử làm việc và điều kiện biên khi tiến hành thí nghiệm. Cường độ là chỉ tiêu quan trọng thể hiện khả năng chịu lực của vật liệu, cường độ của bê tông phụ thuộc vào thành phần và cấu trúc của nó. Để xác định cường độ bê tông dùng thí nghiệm mẫu 2.1.1.1. Mẫu chuẩn dùngthí nghiệm Mẫu bê tông dùng để nén có hình dáng là khối vuông cạnh a (a=100; 150; 200mm), khối hình trụ có đáy vuông hoặc tròn. Trong trường hợp khi khoan lấy mẫu từ kết cấu có sẵn thường lấy mẫu trụ tròn có đường kính D=50150mm; chiều cao h=(11,5)D. Hình 2.2. Mẫu thử dùng cho thí nghiệm nén Mẫu chuẩn để xác định cường độ nén của bê tông là mẫu lập phương kích thước 150x150x150mm. Các mẫu lập phương khác mẫu chuẩn và các mẫu trụ sau khi thử nén phải được tính đổi kết quả thử về cường độ mẫu chuẩn. 2.1.1.2. Tiến hành thí nghiệm nén Đặt từng mẫu vào máy nén và tăng lực nén (Np) đến khi mẫu bị phá hoại. R  NP daN / m2   A Trong đó: (2.1) 9  Np: lực làm mẫu bị phá hoại, tính bằng daN  A: diện tích tiết diện ngang của mẫu thử, tính bằng cm2  R: cường độ chịu nén của mẫu thử  α: hệ số tính đổi kết quả thử nén các mẫu bê tông kích thước khác mẫu chuẩn Hình 2.3. Mô hình thí nghiệm nén Bảng 2.1. Giá trị α dùng để tính đổi kết quả thử về cường độ mẫu chuẩn Hình dáng Mẫu lập phương Mẫu trụ Kích thước mẫu (mm) Hệ số tính đổi 100 x100 x 100 0,91 150 x150 x 150 1 200 x200 x 200 1,05 300 x300 x 300 1,1 71,4 x 143 và 100 x 200 1,16 150 x 300 1,2 200 x 400 1,24 2.1.2. Quan hệ ứng suất -biến dạng cho bê tông chịu tải trọng nén một trục Theo MacGregor và Wight (2011), cơ chế tạo thành vết nứt và sự phá hỏng trong bê tông chịu nén một trục được chia làm bốn giai đoạn như sau: Trong quá trình thủy hóa và làm khô bê tông, sự co ngót của vữa bị kiềm chế bởi cốt liệu gây ra ứng suất kéo ban đầu trong đá xi măng. Sự co không đều trong khối bê tông hoặc co ngót bị ngăn trở làm phát sinh ứng suất kéo dẫn đến các vết nứt liên kết không tải, nghĩa là vết nứt xảy ra trước khi bê tông chịu tải. Những vết 10 nứt này có ảnh hưởng nhỏ đến bê tông khi chịu các tải trọng nhỏ, đường cong ứng suất biến dạng duy trì tuyến tính tới 30% độ bền nén của bê tông, như được thể hiện bởi đường nét liền trong hình 1.4 Khi bê tông chịu ứng suất lớn hơn 30% đến 40% độ bền nén, các ứng suất trên bề mặt dốc của những mẫu cốt liệu sẽ vượt quá độ bền kéo và độ bền cắt của bề mặt cốt liệu, vữa và các vết nứt mới (là các vết nứt liên kết) sẽ phát triển. Vết nứt liên kết là các vết nứt xuất hiện dọc theo bề mặt giữa vữa và cốt liệu. Những vết nứt này ổn định và chỉ phát triển khi tải trọng tăng. Tuy nhiên, khi một vết nứt như vậy đã hình thành, tải trọng tăng thêm đã được chuyển qua bề mặt bị nứt sẽ được phân phối lại tới các bề mặt không bị vỡ còn lại và tới vữa. Sự phân phối lại tải trọng này làm cho đường cong ứng suất biến dạng bị uốn dần dần. Khi tải trọng tăng vượt quá 50% hoặc 60% độ bền nén, các vết nứt vữa cục bộ bắt đầu phát triển giữa các vết nứt liên kết. Vết nứt vữa là vết nứt cắt ngang qua vữa giữa các đoạn cốt liệu.Những vết nứt này phát triển song song với hướng của tải trọng nén, gây ra bởi biến dạng kéo ngang.Trong giai đoạn này các vết nứt được coi là ổn định, nghĩa là các vết nứt sẽ phát triển nếu tăng tải trọng nhưng sẽ không phát triển nếu tải trọng được giữ nguyên. Sự bắt đầu của giai đoạn đặt tải trọng này được gọi là giới hạn không liên lục (là giới hạn xem như bê tông không còn tính đàn hồi). Khi tải trọng tăng tới 75% - 80% độ bền nén, số lượng các vết nứt vữa bắt đầu tăng và một số vết nứt này liên kết với nhau tạo thành các vết nứt thấy được. Do đó, các phần bê tông không bị hư hỏng chịu được tải trọng sẽ ít hơn và đường cong ứng suất biến dạng trở nên phi tuyến nhiều hơn. Sự bắt đầu thời kì tạo vết nứt này được gọi là ứng suất tới hạn. Khi vết nứt vữa mở rộng, càng lúc càng ít phần bê tông không bị ảnh hưởng. Cuối cùng, khả năng chịu tải trọng của các phần bê tông không bị nứt đạt tới một giá trị tối đa được gọi là độ bền nén. Sự biến dạng tăng thêm cùng với sự giảm ứng suất mà bê tông có thể chịu được, thể hiện bởi đường đứt nét trong hình 1.4.