Tính toán mô phỏng kết cấu ống thép nhồi bê tông

Bài trình bày này sẽ đề cập các tiếp cận khác để phân tích toàn mô hình cầu ống thép nhồi bê tông dài 90m, trong đó việc đo đạc thử nghiêm được thực hiện sau khi xây xong cầu để giám sát

NGUYỄN MINH HÙNG

TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG

KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 60 52 01 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS VŨ CÔNG HÒA

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 1 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 GS TS NGÔ KIỀU NHI – CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

2 TS NGUYỄN TƯỜNG LONG – THƯ KÝ HỘI ĐỒNG

3 PGS TS NGUYỄN HOÀI SƠN – PHẢN BIỆN 1

4 PGS TS VŨ CÔNG HÒA – PHẢN BIỆN 2

5 PGS TS LƯU THANH TÙNG - ỦY VIÊN HỘI ĐỒNG

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

- -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN MINH HÙNG MSHV: 1670287

Ngày, tháng, năm sinh: 24/10/1984 Nơi sinh: Vũng Tàu Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã ngành: 60 52 01 01

I TÊN ĐỀ TÀI: Tính toán mô phỏng kết cấu ống thép nhồi bê tông

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

lực Tìm hiểu cách tính kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn

của ống thép nhồi bê tông:

ống thép

ống thép nhồi bê tông cụ thể và so sánh với kết quả thí nghiệm hoặc kếtquả trong một số nghiên cứu trước đó

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 17/12/2017

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 5/1/2019

IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS TRƯƠNG TÍCH THIỆN

LỜI CÁM ƠN

Đề tài nghiên cứu của luận văn được thực hiện dựa trên Tiểu luận “Tính Toán - Mô Phỏng Cầu Vòm Ống Thép Nhồi Bê Tông” được học viên thực hiện trong chương trình đào tạo ngành Thạc Sĩ Cơ Học Kỹ Thuật ĐHBK-TP.HCM (1/2017 – 5/2017), sau đó phát triển lên dựa trên công trình nghiên cứu có kết quả thực nghiệm của Zhou-Hong Zong và cộng sự trong “Dynamic analysis of a half-through concrete-filled steel tubular arch bridge” (2004) Học viên xin chân thành gửi lời cảm ơn đến PGS

sĩ Trần Kim Bằng – Giảng viên Cơ Kỹ Thuật – ĐHBK TPHCM, Học viên Cao học Huỳnh Lê Phước Sơn đã nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ và nhận xét đầy ý nghĩa để nghiên cứu được hoàn thiện đúng mục tiêu đã đề ra Học viên cũng chân thành cảm

ơn sâu sắc đến Tập thể quý thầy cô khoa Khoa Học Ứng Dụng – ĐHBK, đặc biệt là quý Thầy cô của Bộ môn Cơ Kỹ Thuật đã tạo điều kiện về thời gian, chương trình và góp ý nội dung cho học viên hoàn thành đề tài Xin gửi lời tri ân đến gia đình và các bạn học viên đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ kịp thời để học viên bổ sung và hoàn thiện các nội dung trong quá trình nghiên cứu

TP.HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2018

Học viên thực hiện

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trên sự phát triển của lĩnh vực tính toán mô phỏng ở Việt Nam, phân tích kết cấu đang tận dụng lợi thế của CNTT để tìm hiểu các bài toán ở quy mô lớn hơn và với những phần tử thích hợp để tiếp cận bài toán gần với thực tế, những phần tử đã bị đơn giản hóa do khả năng công nghệ tại thời điểm đó Bài trình bày này sẽ đề cập các tiếp cận khác để phân tích toàn mô hình cầu ống thép nhồi bê tông dài 90m, trong đó việc đo đạc thử nghiêm được thực hiện sau khi xây xong cầu để giám sát ứng xử của cầu này Ngoài ra, việc mô phỏng bằng PTHH dùng các phần tử đơn giản như Link – Beam để mô hình hóa và so sánh với kết quả thử nghiệm được tiến hành để xem lại ứng xử mode dao động Việc mô phỏng trong bài báo này được thực hiện với các phần tử có nhiều bậc tự do hơn như Beam – Surface cho cùng vị trí của phần tử để tìm hiểu ứng xử động học của cầu vòm này Các thông số về mô hình, vật liệu, điều kiện biên được tham khảo từ nghiên cứu của Zong và cộng sự (Dynamic analysis of

a half-through concrete-filled steel tubular arch bridge) [9], tuy nhiên loại phần tử được chọn nhằm tận dụng khả năng của chương tình mô phỏng và máy tính để có được kết quả theo cách xử lý khác Điều này cho thấy những mode dao động mới chưa được tìm hiểu bởi công trình nào trước cho cùng cầu này, và có thể được kiểm chứng bằng thực nghiêm cho giả định của mô phỏng này

Từ khóa: Ống Thép Nhồi Bê Tông, Cầu Vòm, Tần Số Riêng, Phân Tích Dao Động

ABSTRACT (TÓM TẮT LUẬN VĂN - TIẾNG ANH)

In development progress of the field of Computational Engineering, especially in Vietnam, structural analysis has taken advantage of strength of IT technology to investigate the problem in large size with appropriate elements, which simplified at that period of infrastructure, to have model closing to reality This paper is to demonstrate the other approach to analysis the whole Concrete Filled Steel Tube (CFST) Bridge (90m length), which was built with an onsite testing after that, to supervise its behavior Whereas a FEA work using the simplifying elements (Link – Beam) to model structure was conducted to compare testing result to review modal analysis The work in this paper implements element types with more DOFs (Beam – Surface) for the same structure position to study dynamic response of the arch bridge The input of model such as geometry, material, and mounting conditions is referred to the work of Zong et at (Dynamic analysis of a half-through concrete-filled steel tubular arch bridge) [9], however element selection is utilized availability of CAE and computer to obtain outcome in alternate approach The result could bring out new mode shapes of natural frequency, which are not mentioned in any prior researches of such bridge, and should be realized in further work to validate assumption of initiative

Key words: Concrete Filled Steel Tube (CFST), Half Arch Tube Bridge, Modal Analysis,

Natural Frequency, Vibration Analysis

LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan những kết quả có được trong luận văn là do bản thân học viên

tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS TS Trương Tích Thiện Ngoài nội dung đã được liệt kê như trong phần tài liệu tham khảo, tất cả các số liệu và kết quả mô phỏng

là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào trước đó

TP.HCM, ngày 16 tháng 12 năm 2018

Học viên thực hiện

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ 1

LỜI CÁM ƠN 2

TÓM TẮT LUẬN VĂN 3

ABSTRACT (TÓM TẮT LUẬN VĂN - TIẾNG ANH) 4

LỜI CAM ĐOAN 5

MỤC LỤC 6

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH 9

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU 13

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT 14

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 15

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 15

1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 17

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 19

1.3.1 Nước ngoài 19

1.3.2 Trong nước 23

1.4 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 24

1.5 LỢI ÍCH CỦA ĐỂ TÀI 27

1.5.1 Lợi ích khoa học 27

1.5.2 Lợi ích thực tiễn 27

1.6 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 27

1.6.1 Mục tiêu tổng quát 27

1.6.2 Mục tiêu cụ thể 27

1.6.4 Phạm vi nghiên cứu 28

1.7 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 28

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 30

2.1 LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI 30

2.1.1 Tensor ứng suất 30

2.1.2 Tensor biến dạng 34

2.1.3 Định luật Hooke 37

2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 38

2.2.1 Các loại phần tử dùng mô hình kết cấu trong ANSYS 39

2.2.1.1 Phần tử Solid 65 39

2.2.1.2 Phần tử Solid 45 40

2.2.2 Mô hình vật liệu 40

2.2.2.1 Bê tông 40

2.2.2.2 Phần tử ống thép 43

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 44

CHƯƠNG 3 - CÁCH TIẾP CẬN VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 45

3.1 MÔ TẢ KẾT CẤU 45

3.1.1 Vấn đề 1 - Mô phỏng trụ cầu kết cấu CFST chịu lực nén và lực bề mặt 45

3.1.2 Vấn đề 2 - Mô phỏng Cầu vòm CFST đơn giản chịu tải trọng bản thân và tải trọng tĩnh của phương tiện giao thông 49

3.1.3 Vấn đề 3 - Mô phỏng mô hình cầu CFST thực tế và khảo sát dao động 54

3.1.3.1 Mô tả kết cấu 54

3.1.3.2 Cách mô hình hóa của nghiên cứu trước 55

3.1.3.3 Kết quả thực nghiệm của nghiên cứu trước 56

3.1.3.4 Cách tiếp cận mới 59

3.1.3.5 So sánh kết quả 62

CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70

Tài liệu tham khảo 72 Tài liệu tiếng Anh 72 Tài liệu tiếng Việt 73

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu tạo ống thép nhồi bê tông (nguồn [21])……… ….16

Hình 1.2 Một số cầu lớn Việt Nam có sử dụng kết cấu CFST – Cầu Ông Lớn ở TPHCM và cầu Đông Trù ở Hà Nội (nguồn flick.com và infonet.vn)……….…….16

Hình 1.3 Mặt cắt ngang kết cấu CFST lõi rỗng (nguồn [12])……….….… 17

Hình 1.4 Mặt cắt ngang các loại cột bê tông có lõi ống thép (nguồn [12])… 18

Hình 1.5 Mặt cắt ngang các loại cột CFST có lõi thép liên hợp (nguồn [12])…… 18

Hình 1.6 Tháp điện Zhoushan ở Trung Quốc (nguồn [12])……… 18

Hình 1.7 Thí nghiêm cột CFST chịu tải trọng nén và ngang theo chu kỳ (nguồn

“WSDOT Progress Meeting Olympia, WA, March 23, 2010”)……….… 19

Hình 1.8 Hệ thống thiết bị thí nghiệm xoắn của DCFST (nguồn [17])………20

Hình 1.9 Thiết lập các thiết bị đo cho DCFST trong thực tế (nguồn [17])…….… 21

Hình 1.10 Kết quả FEA so sánh với thực nghiệm (nguồn [17])……… 22

Hình 1.11 Các công trình cầu CSFT ở Trung Quốc (nguồn ScienceDirect)…… 23

Hình 1.12 Thi công cầu CFST (nguồn “Nghiên cứu ứng dụng Cầu vòm ống thép nhồi

bê tông liên hợp với hệ treo” – Hoàng Mạnh Hiền)……….….24

Hình 1.13 CFST được sử dụng trong các công trình cầu (nguồn [12])………….…25

Hình 1.14 Trạm tàu điện ngầm sử dụng cột thép nhồi bê tông (nguồn [12])…….…26

Hình 1.15 Tháp điện Zhoushan ở Trung Quốc (nguồn [12])……….… 26

Hình 2.1 Vật thể có thể tích V, bao bọc bởi bề mặt S, chịu lực mặt fi và lực khối bi

……… ……… ………31

Hình 2.2 Các vector ứng suất thể hiện trên một phân tố……… 32

Hình 2.3 Phân tố tứ diện PABC xác định mối liên hệ vector – tensor ứng suất 33

Hình 2.4 Trạng thái trước và trong khi bị biến dạng của vật B ……… …34

Hình 2.5 Lưới phần tử được chia trong ANSYS (nguồn ANSYS Manual)……… 39

Hình 2.6 Dạng hình học của phần tử SOLID65 (nguồn ANSYS Manual)…… ….40

Hình 2.7 Dạng hình học của SOLID45 (nguồn ANSYS Manual)……….… 40

Hình 2.8 Bề mặt phá hủy của bê tông trong ứng suất phẳng theo mô hình William và Wanke (nguồn [13]) ……….……… 42

Hình 2.9 Đường cong ứng suất-biến dạng tương đương chịu nén đơn trục của bê tông (nguồn [14])……… …43

Hình 2.10 Mô hình đàn dẻo lý tưởng của thép (nguồn [17])… ………… ….… 44

Hình 3.1 Hình dang cột CFST trong ANSYS Workbench và mô hình chia lưới …45 Hình 3.2 Kết quả chuyển vị của trụ CFST……… ….….46

Hình 3.3 Kết quả ứng suất của trụ CFST……… … 46

Hình 3.4 Cách mô hình hóa trụ cầu và chia lưới phần tử……… … 47

Hình 3.5 Kết quả ứng suất và biến dạng của Vỏ thép……… ……47

Hình 3.6 Kết quả ứng suất và biến dạng của Lõi bê tông……….… ….48

Hình 3.7 Mặt cắt ngang của vòm cầu CFST đơn giản……… … 49

Hình 3.9 Mô hình hóa điều kiện biên Cầu Vòm CFST đơn giản………….….… 50

Hình 3.10 Chia lưới phần tử Cầu Vòm CFST đơn giản……….… 51

Hình 3.11 Kết quả chuyển vị (trên) và ứng suất của ống thép (dưới)………….… 51

Hình 3.12 Mô hình cầu CFST dây treo xây dựng trên MIDAS/Civil V6.3.0 (nguồn [21])……….……… 52

Hình 3.13 Kết quả tham khảo từ mô hình xây dựng trên MIDAS (nguồn [21])… 52

Hình 3.14 Kết quả ứng suất chính cực đại (trên) và cực tiểu (dưới) của Lõi bê tông……… …53

Hình 3.15 Cầu sông Beichuan, Xining ở Trung Quốc (nguồn [9])……… 54

Hình 3.16 Hình chiếu chính và hình chiếu mặt cầu (nguồn [9])……….… 55

Hình 3.17 Mô hình PTHH của cầu Beichuan (nguồn [9])……… 56

Hình 3.18 Sơ đồ bố trí điểm đo theo phương dọc cầu (nguồn [9])……… 57

Hình 3.19 Sơ đồ bố trí điểm đo trên mặt cầu (nguồn [9])……… … 57

Hình 3.20 Biểu đồ tần số theo phương thẳng đứng theo phương pháp ANPDS (nguồn [9])……….………… ….58

Hình 3.21 Mô hình cầu trong CAD … 59

Hình 3.22 Mô hình cầu chia lưới trong bằng Ansys Workbench……… … 60

Hình 3.23 Các mode dao động được tính toán……… …….61

Hình 3.24 Biểu đồ so sánh giá trị các kết quả …….……….…… … 64

Hình 3.25 Các dạng dao động của cấu CFST tham khảo (nguồn [20])……… … 66

Hình 3.26 So sánh mode dao động của 2 mô hình ……….…… … 68

Hình 3.27 Vị trí đặt các thiết bị đo trên cầu sông Hongshui River, Guangxi, Trung Quốc (nguồn [16])……… 69

DANH SÁCH CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Thông số Trụ cầu 45

Bảng 3.2 Giá trị ứng suất tương đương tại các điểm cực trị của trụ CFST …48

Bảng 3.3 Thông số Cầu vòm CFST đơn giản……….….…….49

Bảng 3.4 Giá trị ứng suất tương đương tại các điểm cực trị của cầu CFST.….… 55

Bảng 3.5 Kết quả so sánh giữa các Phương pháp xử lý số liệu và PTHH (nguồn [9])……….……….… 58

Bảng 3.6 Thông số vật liệu được tính toán (nguồn [9])……… …….……….60

Bảng 3.7 So sánh các mode dao động giữa các mô hình……….…….….…… …63

Bảng 3.8 So sánh giá trị tần số giữa các mode dao động theo độ lớn giá trị tần số

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANPSD: Averaged Normalized Power Spectral Densities

CFST: Concreet Filled Steel Tube

DCFST: Dumbbell-shaped Concrete-Filled Steel Tubes

FEA: Finite Element Analysis

FEM: Finite Elment Method

FFT: Fast Fourier Transfer

FRF: Frequency Response Function

IRF: Impulse Response Function

LTĐH: Lý Thuyết Đàn Hồi

PP: Peak Picking

PTHH: Phần Tử Hữu Hạn

SDOFI: Single-Degree-Of-Freedom Identification

SSI: Stochastic Subspace Identification

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Theo thời gian nền khoa học và công nghệ đã có bước tiến xa, trong mọi lĩnh vực đều đã có các lý thuyết và phương pháp thực thi riêng Xây dựng cũng là một lĩnh vực phát triển mạnh, dân số ngày một tăng đồng nghĩa với việc nhu cầu xây dựng phải tăng để nhằm phục vụ cho cuộc sống Hoạt động xây dựng khác với hoạt động sản xuất ở chỗ sản xuất tạo một lượng sản phẩm với những chi tiết giống nhau, còn xây dựng nhắm tới những sản phẩm tại những địa điểm dành cho từng đối tượng khách hàng riêng biệt Tại những nước phát triển, ngành công nghiệp xây dựng đóng góp từ 6-9% tổng sản phẩm nội địa Hoạt động xây dựng thường bắt đầu bằng việc lên kế hoạch, thiết kế, lập dự toán và thi công tới khi dự án hoàn tất và sẵn sàng đưa vào sử dụng Các công trình xây dựng thường được phân chia thành ba loại chính: công trình nhà, công trình cơ sở hạ tầng và công trình công nghiệp Hiện nay, kết cấu xây dựng vẫn đang còn nhiều vấn đề nghiên cứu thêm, để một công trình xây dựng

có thể hoàn hảo hơn, kết cấu ống thép nhồi bê tông là một trong số những vấn đề cần nghiên cứu đó

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – viết tắt là CFST) là

hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình Thông thường người ta dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng Kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường

độ, khả năng chống biến dạng và khả năng chống cháy Vì thế loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng và các công trình cầu đường

Hình 1.1 Cấu tạo ống thép nhồi bê tông (nguồn [21])

Kết cấu ống thép nhồi bê tông đang được chú ý và nghiên cứu trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong những kết cấu cầu lớn Gần đây, các cầu vòm ống thép nhồi

bê tông đã được xây dựng thành công ở thành phố Hồ Chí Minh, đó là cầu Xóm Củi, cầu Ông lớn và cầu Cần Giuộc hay gần đây là cầu Đông Trù ở Hà Nội Qua đây cho thấy, vấn đề về kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được áp dụng tại Việt Nam, nhằm hoàn thiện hơn vấn đề này, đòi hỏi cần nhiều bài nghiên cứu và báo cáo Thông qua

đó chúng ta sẽ tìm ra nhiều vấn đề về kết cấu ống thép nhồi bê tông, từ đó sẽ có góp

ý để nhằm hoàn thiện và đưa vào áp dụng nhiều công trình chuẩn bị thi công tại Việt Nam

Hình 1.2 Một số cầu lớn Việt Nam có sử dụng kết cấu CFST – Cầu Ông Lớn ở TPHCM và cầu Đông Trù ở Hà Nội (nguồn flick.com và infonet.vn)

1.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Kết cấu ống thép nhồi bê tông là kết cấu liên hợp gồm vỏ thép và lõi bê tông tương tác lẫn nhau Kết cấu loại này có nhiều ưu thế [25]:

- Độ bền của lõi bê tông tăng 2 lần so với độ bền bê tông thông thường

- Nhờ lớp vỏ thép cách ly nên lõi bê tông không trao đổi được độ ẩm với môi trường bên ngoài, điều này làm lõi bê tông bị trương nở và sự trương nở được duy trì trong nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông

- Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt

- Tính phi tuyến của biến dang từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi

- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép Không cần copfa trong thi công

- Trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của lõi là rất nhỏ vào khoảng (2 – 3).10-5

- Việc đưa lõi bê tông vào lòng ống thép làm khả năng chống ăn mòn mặt trong của ống thép tăng lên, độ mảnh của cấu kiện được giảm đi Từ đó, độ ổn định cục bộ của thành ống và khả năng chống móp, méo của vỏ ống thép khi va đập được tăng lên

Hình 1.3 Mặt cắt ngang kết cấu CFST lõi rỗng (nguồn [12])

Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông làm việc hiệu quả hơn khi chịu nén, do đó kết cấu nên được dùng cho các cấu kiện chịu nén Ngoài ra, kết cấu này cần lớp vỏ thép nên thường có giá thành đắt hơn so với kết cấu bê tông cốt thép Kết cấu ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu bao gồm cả nội kết cấu của chính

nó Hình 1.1 mô tả kết cấu vỏ ống thép ruột đặc, đây là kết cấu được sử dụng nhiều

trong các công trình xây dựng Ngoài ra, cũng có loại CFST thay đổi về hình dạng vỏ thép và lõi rỗng bên trong bằng một ống thép bên trong Điều này đặt ra một loạt các tùy biến khác về kết cấu liên hợp như Hình 1.4 -1.5 dưới đây, trong đó việc kết hợp gân gia cường và thanh nối cũng được sử dụng (Hình 1.6):

Hình 1.4 Mặt cắt ngang các loại cột bê tông có lõi ống thép (nguồn [12])

Hình 1.5 Mặt cắt ngang các loại cột CFST có lõi thép liên hợp (nguồn [12])

Hình 1.6 Mặt cắt ngang các cột CFST hình vuông có gân cứng và thanh nối (nguồn

[12])

Bê tông Ống thép Bê tông Ống thép Bê tông

Gia cường Gia cường

Ống thép Lõi thép

Ống thép Gia cường

Bê tông

Ống thép Ống thép

Gân cứng Gân cứng Thanh nối

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.3.1 Nước ngoài

Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích các dạng ứng xử của ống thép nhồi bê tông Năm 2014, Shankar

Jagadesh [1] cùng các cộng sự đã thực hiện các thí nghiệm với ống thép nhồi bê tông

dạng cột chịu các dạng tải trọng khác nhau, bài toán bất ổn định của các cột cũng được xét đến trong nghiên cứu này Các nhà nghiên cứu Shilpa Sara Kurian, Dinu Paulose, Sreepriya mohan [2] cũng đã có những nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông dạng cột chịu tác động của tải trọng dọc trục Ở Nhật Bản cũng có bài báo về “Thiết

kế và xây dựng hệ thống cột ống thép nhồi bê tông ở Nhật Bản” do Shosuke Morino

và Keigo Tsuda thực hiện [3] Đại học Babylon (thuộc Babylon – Cộng Hoà Irap) cũng đã có bài đăng tải về đề tài “Phân tích phi tuyến ứng xử ống thép nhồi bê tông dùng phương pháp phần tử hữu hạn” do thành viên trong trường thực hiện [4]

Có nhiều nghiên cứu và thực nghiệm khác nhau về cột CFST nhằm tìm ra các thông số ứng xử của composite ống thép bê tông Như công trình của Charles Roeder

và cộng sự từ đại học University of Washington thí nghiệm trên cột CFST ngàm 1 đầu, chịu nén 1 đầu và tải ngang cột theo chu kỳ (Hình 1.7):

Hình 1.7 Thí nghiêm cột CFST chịu tải trọng nén và ngang theo chu kỳ (nguồn “WSDOT

Progress Meeting Olympia, WA, March 23, 2010”)

Trong khi đó, nhóm nghiên cứu Baochun Chen và cộng sự thí nghiêm trên cặp ống CFST (dumbbell-shaped concrete-filled steel tubes – DCFST) [15] tìm hiểu ứng xử xoắn của kết cấu này để ứng dụng trong công trình cầu vòm Việc thử nghiệm này đi kèm việc mô phỏng bằng FEA, nhằm khảo sát bộ hệ số tính chất vật liệu cho những nghiên cứu về sau Hình 1.8 mô tả việc thiết lập mô hình thí nghiệm của DCFST

Hình 1.8 Hệ thống thiết bị thí nghiệm xoắn của DCFST (nguồn [15])

Hình 1.9 Thiết lập các thiết bị đo cho DCFST trong thực tế (nguồn [15])

Hình 1.10 Kết quả FEA so sánh với thực nghiêm (nguồn [15])

Có thể thấy việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu này được triển khai sâu rộng trên nhiều nước, cho nhiều kết cấu khác nhau Đặc biệt là ở Trung Quốc trong khoảng 2 thập kỷ gần đây, có thể coi là sự bùng nổ các công trình cầu như vậy Có hơn 400 cầu kết cấu CFST được xây, với nhịp dẫn dài nhất là 530 m (nguồn ScienceDirect - “Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridges in China”), nhằm đẩy mạnh cơ sở hạ tầng giao thông vận tải và phát triển kinh tế

Hình 1.11 Các công trình cầu CSFT ở Trung Quốc (nguồn ScienceDirect)

1.3.2 Trong nước

Hiện nay trong nước cũng đã có nhiều báo cáo, đồ án và luận văn của sinh viên

về tính toán kết cấu ống thép nhồi bê tông Trên thế giới hiện nay, để tính toán loại vật liệu này có thể dùng tiêu chuẩn AISC 2005 của Mỹ, Euro Code-4 của Châu Âu, AJC của Nhật, …Trong khuôn khổ bài báo cáo “Ứng dụng của kết cấu ống thép nhồi

bê tông trong công trình cầu” tác giả Ngô Thanh Thuỷ đưa ra ví dụ minh hoạ cho ống thép nhồi bê tông chịu nén thuần tuý, uốn thuần tuý và nén uốn đồng thời theo quy định AISC 2005 của Mỹ [19] Ngoài ra, TS Chu Thị Bình đã có bài báo về “Nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy”, chúng được đăng tải trên tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng số 2/2012 [20] Để phục vụ việc giảng dạy, GS TS Nguyễn Viết Trung và KS Trần Việt Hùng đã viết ra quyển sách “Kết cấu ống thép nhồi bê tông” [21], hay PGS.TS Phạm Văn Hội cũng có sách “Kết cấu liên hợp thép bê tông dùng trong nhà cao tầng” – NXB KHKT 2006 Trong đó, việc triển khai thi công công trình cầu cũng được triển khai mạnh mẽ ở Đại học Bách Khoa TPHCM, cụ thể là “Nghiên cứu ứng dụng Cầu vòm ống thép nhồi bê tông liên hợp với hệ treo” của nhóm tác giả ThS Hoàng Mạnh Hiền thực hiện tại khoa Xây Dựng Cầu Đường (Hình 1.21)

Hình 1.12 Thi công cầu CFST (nguồn “Nghiên cứu ứng dụng Cầu vòm ống thép

nhồi bê tông liên hợp với hệ treo” – Hoàng Mạnh Hiền)

Ở Việt Nam, việc áp dụng những phương pháp phần tử hữu hạn cho tính toán và

mô phỏng ống thép nhồi bê tông đang được nghiên cứu mạnh mẽ, nhưng việc nghiên cứu ứng xử tách biệt giữa ống thép và bê tông chủ yếu là cho các kết cấu trụ đơn hoặc các kết cấu tương tự Việc tìm hiểu tương tự như vậy trong toàn công trình cầu còn khá ít, do các điều kiện về máy tính và đòi hỏi khả năng kiểm soát nhiều vấn đề liên quan trong toàn công trình khi mô phỏng Qua đây, tác giả mong muốn với đề tài áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho phân tích ứng xử kết cấu tương tự nhưng tách biệt thép – bê tông sẽ là gợi ý cho các bài nghiên cứu về sau

1.4 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ở nước ngoài, kết cấu ống thép nhồi bê tông với nhiều ưu điểm nên được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng như các công trình cầu (Hình 1.22), các công trình công cộng (Hình 1.23), cột điện, tháp điện, …

Ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông vào các công trình xây dựng còn khá hạn chế Nguyên nhân của việc này là do ở nước ta còn thiếu các nghiên cứu về các dạng ứng xử của cấu kiện ống thép nhồi bê tông khi chịu tải Do

đó, việc nghiên cứu về công nghệ này là rất cần thiết trong bối cảnh Việt Nam đang hội nhập cao với thế giới như hiện nay

Việc phân tích ứng xử của các cấu kiện ống thép nhồi bê tông theo các phương pháp chính xác thì rất phức tạp và mất nhiều thời gian Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành khoa học máy tính, việc ứng dụng các phương pháp tính số gần đúng để giải các bài toán kỹ thuật đặc biệt là các bài toán với vật liệu bê tông trở nên thuận lợi hơn rất nhiều

Phương pháp phần tử hữu hạn là phương pháp tính số được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, phương pháp này cho kết quả hội tụ tốt so với các kết quả từ thí nghiệm và

lý thuyết Do đó, trong luận văn này này tác giả sẽ dùng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán và mô phỏng ứng xử của ống thép nhồi bê tông

Hình 1.13 CFST được sử dụng trong các công trình cầu (nguồn [12])

Ống thép nhồi bê tông

Hình 1.14 Trạm tàu điện ngầm sử dụng cột thép nhồi bê tông (nguồn [12])

Hình 1.15 Tháp điện Zhoushan ở Trung Quốc (nguồn [12])

1.5 LỢI ÍCH CỦA ĐỂ TÀI

1.6 MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

1.6.1 Mục tiêu tổng quát

Phân tích ứng xử cơ học (tĩnh và động) của kết cấu ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng bản thân, phương tiện giao thông và môi trường bằng phương pháp phần tử hữu hạn

1.6.2 Mục tiêu cụ thể

Luận văn này được thực hiện nhằm đáp ứng 3 mục tiêu sau:

- Mục tiêu 1 – Vấn đề 1: Tìm hiểu tổng quan các dạng ứng xử của ống thép nhồi

bê tông khi chịu lực Tìm hiểu cách tính kết cấu ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn

- Mục tiêu 2 – Vấn đề 2: Nghiên cứu cách áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích ứng xử của ống thép nhồi bê tông:

- Mục tiêu 3 – Vấn đề 3: Sử dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng xử của một vài kết cấu ống thép nhồi bê tông cụ thể và so sánh với kết quả thí nghiệm hoặc kết quả trong một số nghiên cứu trước đó

1.6.3 Đối tượng nghiên cứu

Vấn đề 1: Mô phỏng trụ cầu kết cấu CFST chịu lực nén và lực tập trung do tải quy đổi

Mô hình này được xây dựng dựa trên tài liệu báo cáo [24], trong đó thông số hình học và điều kiện tải để mô phỏng nhằm khảo sát ứng xử các phần tử được sử dụng Vấn đề 2: Mô phỏng Cầu vòm CFST đơn giản chịu tải trọng bản thân và tải trong tĩnh của phương tiện giao thông

Dựa theo kết quả Vấn đề 1 về loại phần tử, bài toán này tìm hiểu sự tương tác của các phần tử theo mô hình trong tài liệu [21], nhằm khảo sát khả năng đáp ứng của chương trình đối với bài toán lớn hơn

Vấn đề 3: Mô phỏng mô hình cầu CFST thực tế và khảo sát dao động có so sánh thực nghiệm

Tham khảo từ tài liệu [9], việc xây dựng lại mô hình cầu sông Beichuan (Xining, Trung Quốc) và tham khảo các kết quả mô phỏng và thực nghiệm nhằm xác thực lại khả năng và ứng xử các phần tử trong mô hình tính toán, làm nền tảng ứng dụng cho các mô phỏng tương tự về sau

1.6.4 Phạm vi nghiên cứu

Phân tích ứng xử cơ học (tĩnh và động) của kết cấu ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng bản thân, phương tiện giao thông và môi trường bằng phương pháp phần tử hữu hạn

1.7 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

- Tài liệu về kết cấu ống thép nhồi bê tông [21]

- Cơ sở lý thuyết về mô hình thép và bê tông [17]

- Tài liệu về phương pháp phần tử hữu hạn cho mô hình vật liệu bê tông [18-25]

- Tài liệu hướng dẫn sử dụng chương trình ANSYS [10]

- Các kết quả thí nghiệm, các bài báo khoa học về kết cấu ống thép nhồi bê tông 16]

[1-CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI

“Lý thuyết đàn hồi là một ngành của Cơ học nghiên cứu về vật thể đàn hồi lý tưởng”, trong đó tính chất đàn hồi lý tưởng là một trong những mô hình lý tưởng của vật rắn [17] Điều này có được một khi vật thể lấy lại được hình dáng khi không còn ngoại lực tác dụng Hình dáng của nó chỉ phụ thuộc vào tải trọng đang tác động và không phụ thuộc vào lịch sử đặt tải Trong tự nhiên, hầu hết các vật thể, vật liệu đều

có tính đàn hồi như thép, bê tông, vật liệu xây dựng, chi tiết máy hay đến chất lỏng

và khí đều có tính chất đàn hồi

Sử dụng LTĐH trong các bài toán nhằm tính toán ứng suất biến dạng đang chịu tải tác động của ngoại lực ở trạng thái cân bằng tĩnh hoặc động, từ đó so sánh với các điểm tới hạn của vật liệu để xác định tính chất và trạng thái của vật thể

Đây là lý thuyết quan trọng, làm cơ sở cho nhiều chuyên ngành về sức bền vật liệu, cơ kết cấu, cơ chảy dẻo, cơ phá hủy Lý thuyết đàn hồi được ứng dụng rộng rãi

để giải các bài toán cho kết quả chi tiết và không bị hạn chế về hình dáng vật thể như tấm, vỏ, khối, …

2.1.1 Tensor ứng suất

Xét một điểm P trong môi trường vật chất liên tục, gọi ni là vector đơn vị pháp tuyến ngoài, tác động lên lên tiết diện nhỏ ΔS của một bề mặt S trên thể tích V có chứa P; và Δfi là hợp lực từ môi trường ngoài tác động lên ΔS Có thể thấy, lực trên phân tố Δfi này phụ thuộc vào cách chọn pháp vector đơn vị ni và ΔS

Theo nguyên lý ứng suất Cauchy: tỉ số Δfi/ΔS sẽ tiến tới một tỉ số vi phân có giới

hạn xác định dfi/dS khi ΔS thu nhỏ về P Khi đó vector hợp lực dfi/dS (lực trên một

đơn vị diện tích) được gọi là vector ứng suất ti(n), được xác định như sau:

Hình 2.1 Vật thể có thể tích V, bao bọc bởi bề mặt S, chịu lực mặt f i và lực khối

b i (nguồn [17])

tục phụ thuộc vào hướng phần tử bề mặt ΔS nhất định, hay chính là pháp vector đơn

vị ni Nên nếu lấy bất kỳ phần tử bề mặt có hướng khác với pháp vector đơn vị này,

thì vector ứng suất tại cùng điểm P trên phân tố V cũng sẽ khác đi

Như vậy, nguyên lý ứng suất Cauchy sẽ áp dụng tương tự cho mỗi pháp vector ini trên mỗi phần tử bề mặt vô cùng bé chưa điểm P tương ứng với mỗi vector ứng suất

định trạng thái ứng suất tại điểm này Khi mô tả đầy đủ trạng thái ứng suất tại một điểm xác định, không cần thiết phải xác định tất cả các cặp ti(n) và ni, mà có thể xác

định điều này dựa vào các vector ứng suất trên ba tiết diện phẳng vuông góc với nhau

trong không gian tại P

Vì thế, khi xác định trạng thái ứng suất tại một điểm, cần chọn những mặt phẳng

vuông góc với nhau theo các trục tọa độ, ký hiệu các pháp vector bên ngoài (ê1, ê2,

ê3) và các vector ứng suất (ti(ê

1), ti(ê

2), ti(ê

3)) như Hình 2.2 Khi biểu diễn mỗi một trong

ba vector ứng suất trên các tiết diện song song với các mặt phẳng tọa độ Descartes,

ΔS

P

Trong đó êj cũng là các vector đơn vị theo ba phương x1, x2, x3, với t1 (ê

j, t2(ê

j, t3(ê j

là ba giá trị tọa độ của vector ứng suất tj(ê

j theo ba trục

Hình 2.2 Các vector ứng suất thể hiện trên một phân tố

Từ (2.2), chín thành phần của ba vector ứng suất ti(ê

Các ứng suất được xác định bằng các thành phần của vector ứng suất trong hệ tọa

độ Descartes và các mặt phẳng tọa độ cũng được biểu diễn trên Hình 2.2 Trong đó,

các thành phần σ11, σ22, σ33 được gọi là các ứng suất pháp, các thành phần còn còn lại σ12, σ13, σ21, σ23, σ31, σ32 được gọi là các ứng suất tiếp (hay ứng suất trượt) và có thể dùng ký hiệu τ để phân biệt với các ứng suất pháp Ngoài ra, các chỉ số 1, 2, 3 cũng

Khi qui ước dấu của các thành phần tensor ứng suất:

- Thành phần ứng suất pháp σii là dương nếu trên tiết diện mà pháp tuyến ngoài của nó trùng với chiều dương của một trong các trục tọa độ

- Thành phần ứng suất tiếp σij trên mặt có pháp vector ngoài ni là dương

khi thành phần pháp vector ngoài nj trên cùng thành tố trùng với chiều

dương của trục tọa độ

Hình 2.2 biểu diễn tất cả các thành phần của tensor ứng suất ở giá trị dương Để xác

định mối liên hệ giữa tensor ứng suất và vector ứng suất, xét phân tố tứ diện PABC,

giới hạn bởi các mặt phẳng tọa độ và mặt ABC, gọi:

- n: pháp tuyến ngoài của mặt ABC

-dS: diện tích của mặt ABC

-dSi: diện tích các mặt bên

-dSi = dS*cos(n,êi)= dS*ni

Hình 2.3 Phân tố tứ diện PABC xác định mối liên hệ vector – tensor ứng suất

Để tứ diện trên cân bằng lực thì phương trình sau phải được thỏa mãn:

ti(nj )dS = ti(ê1)dS1+ ti(ê2)dS2+ ti(ê3)dS3+ ρbidV (2.5)

bi x3

-ti(ê2)

-ti(ê3)

-ti(n)

Trong đó, bi là lực tác động lên một đơn vị khối lượng (lực khối), mà ρbidV tiến về

0 nhanh hơn vì bậc cao hơn, nên (2.5) có thể viết lại thành:

ti(n j )dS = ti(ê j )njdS = σjinjdS (2.6)

Viết lại theo hệ thức Cauchy:

ti(nj) = σjinj 2.7)

2.1.2 Tensor biến dạng

Để đi đến khái niệm tensor biến dạng, xét B – trạng thái ban đầu của vật thể bất

kỳ và B’- trạng thái vật thể khi bị biến dạng như Hình 2.4, với vị trí P và P’ được xác định theo (2.8):

x⃗ = xi(x⃗ , y,⃗⃗ z ) (2.8)

Hình 2.4 Trạng thái trước và trong khi bị biến dạng của vật B

Có thể xem hình dạng vật B được xác định qua vector PQ (ds) thuộc vật thể, trong khi B’ được thể hiện qua vector P’Q’ (ds’) Khi đó, xem chuyển vị của điểm P là

Với các thành phần:

ui (x, y, z) = x’i + xi (2.10)

Tương tự như điểm P và P’, vật B’ là tập hợp các điểm theo vector chuyển vị

tương ứng từ vật B Nhưng dưới tác động của ngoại lực, vật B’ không chỉ “tịnh tiến”

theo những vector chuyển vị song song mà còn bị xoay hoặc thay đổi hình dạng, làm

cho tương quan giữa các điểm thuộc cùng một vật thay đổi theo từng trạng thái và có

thể gọi là biến dạng của vật

Xem vector PQ (ds) và vector P’Q’ (ds’) là vi phân của các điểm gần P và P’,

đồng thời gốc tọa độ của 2 hệ quy chiếu được “xoay” về trùng nhau, khi đó để khảo

sát sự thay đổi tương quan này, theo Lagrange và Euler về tensor biến dạng hữu hạn,

sự biến dạng xảy ra khi hiệu bình phương vi phân các đoạn ds và ds’ khác không Ta

có các biểu thức:

x⃗ = xi(x⃗ , y,⃗⃗ z ) (2.11)

ds′

⃗⃗⃗⃗⃗ = dx′i(x⃗ , y,⃗⃗ z ) (2.12)

Xét tích vô hướng của các vector này và biểu thị dưới dạng đạo riêng theo trục

tọa độ ta có được biểu thức dưới đây:

(ds)2 = dxkdxk =∂xk

∂xi

∂xk

∂xj dxidxj

𝜕xi

𝜕x′ k

2Eij =𝜕x′k

𝜕xi

𝜕x′ k

Ta có:

(ds′)2 − ds2 = 2Eijdxidxj (2.17) Gọi Eij là tensor hạng hai và được gọi là tensor biến dạng Xét tensor này theo chuyển vị, từ 2.10:

của tensor biến dạng:

dạng, và cũng được nói trong lý thuyết tensor biến dạng hữu hạn Lagrange

Nếu xét trong chuyển vị bé thì các thành phần bậc cao của vi phân sẽ tiến về 0,

khi đó ta có tensor bậc nhất và ký hiệu εij

y, z), ta biểu diễn 2.22 theo các ứng suất pháp và ứng suất tiếp như sau: