NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TRONG MỐ TRỤ CỬA VAN CUNG CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP.

Các kết quả thu được từ nghiên cứu của tác giả cho thấy ứng suất trong bê tông khi tính đến ảnh hưởng của cốt thép bao gồm cả vị trí và cách bố trí có sự sai khác đến 34.17% so với trườn

NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TRONG MỐ TRỤ CỬA

VAN CUNG CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP

Ks Phạm Hải Vinh – Công ty CP Tư vấn điện lực dầu khí Việt Nam

TS Nguyễn Cảnh Thái – Trường Đại học Thủy lợi

TÓM TẮT:

Trong thực tế để có thể xác định được ứng suất và từ đó tính được hàm lượng cốt thép dùng cho kết cấu công trình, người ta mới chỉ mô hình hóa quá trình làm việc của bê tông mà chưa đề cập đến ảnh hưởng của cốt thép nằm trong kết cấu đó Bài viết giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cốt thép tới sự phân bố ứng suất trong bê tông chịu lực phức tạp nhằm làm rõ khả năng chịu lực của cốt thép trong kết cấu và ảnh hưởng của nó tới ứng suất trong bê tông Các kết quả thu được từ nghiên cứu của tác giả cho thấy ứng suất trong bê tông khi tính đến ảnh hưởng của cốt thép (bao gồm cả vị trí và cách bố trí) có sự sai khác đến 34.17% so với trường hợp chỉ xét quá trình làm việc của bê tông trong kết cấu công trình Từ kết quả này cho thấy sự cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép trong các cấu kiện bê tông phức tạp

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Tại đầu mối các Công trình thủy lợi - thủy điện, có thể nói công trình tháo có cửa van cung là một hạng mục công trình lớn cả về quy mô và tầm quan trọng Trong đó kết cấu phần tai van đóng vai trò quan trọng không kém, bởi tai van phải chịu toàn bộ áp lực nước truyền

từ cửa van, đồng thời khi cửa van vận hành áp lực nước này tại mỗi thời điểm khác nhau lại diễn biến rất phức tạp

Ứng suất mố trụ cửa van cung đã được mô tả và thiết kế rất nhiều bằng các công cụ khác nhau Tuy nhiên người ta mới chỉ mô tả quá trình làm việc của khối bê tông để từ đó xác định được ứng suất và lượng cốt thép cần dùng Bê tông lúc đó cũng chỉ là một vật liệu chịu nén đơn thuần Trên thực tế, vật liệu chính của kết cấu ngoài bê tông ra còn phải kể tới cốt thép Các thanh thép trong khối bê tông cùng tham gia chịu lực với vai trò có ứng suất trước hoặc không ứng suất trước và có ảnh hưởng nhiều tới sự phân bố ứng suất trong bê tông Nếu chỉ rõ ra được cốt thép làm việc cùng với bê tông như thế nào trong kết cấu thì chúng ta sẽ tính chính xác được lượng thép cần để tham gia chịu lực và bố trí thép hợp lý hơn

Hiện nay trên thế giới có

hai quan điểm bố trí cốt thép

trong trụ pin: Một là quan điểm

bố trí thép hình rẻ quạt,(Hình 1a)

cốt thép được bố trí dựa theo sự

phân bố của ứng suất trong trụ

pin Trường phái này được sử

dụng rộng rãi trên thế giới bởi

các nước Đông Âu Du nhập vào

Việt Nam do Liên Xô, đã trợ

giúp lớn về mặt kỹ thuật cho các

công trình lớn của nước ta trước

đây Các công ty tư vấn của ta

phần lớn sử dụng phương pháp

bố trí thép này để thiết kế trụ pin van cung Đây là phương án bố trí thép quen thuộc đối với

chúng ta, tuy nhiên nhược điểm là lượng thép bố trí quá nhiều Hai là quan điểm bố trí thép

song song theo hướng chịu lực chính trong trụ pin, có ứng lực trước hoặc không ứng lực

a) b)

Hình 1: Bố trí thép trong trụ van cung theo hai quan điểm

trước.(Hình 1b) Quan điểm này phổ biến ở các nước Tây Âu, đặc biệt là Mỹ, đặc điểm của

phương án bố trí này là các thanh thép đã chịu một phần ứng suất trước, do vậy khi trụ pin làm việc, phần ứng suất này được giải phóng và bù phần ứng suất trụ pin phải chịu do tải trọng Quan điểm này tỏ ra hữu hiệu trong việc tiết kiệm cốt thép, cách bố trí cũng đơn giản hơn Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình

Hình 2: Hình ảnh một công trình bố trí thép theo quan điểm thứ hai

2 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, MÔ HÌNH TÍNH VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG

Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một phương pháp số dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng lên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ [1] Phương pháp phân tích bằng phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng rộng rãi như là một công cụ thiết kế cho việc phân tích tuyến tính cũng như phi tuyến của vật liệu Để làm được

như vậy, chúng phụ thuộc vào hai nhân tố chủ yếu sau Thứ nhất, khi quá trình tính toán tăng lên kết hợp với vấn đề phi tuyến, khả năng tính toán là điều bắt buộc Thứ hai, trước khi

phương pháp PTHH có thể sử dụng trong tính toán thiết

kế, độ chính xác cần được chứng minh Việc cải tiến đặc

trưng phần tử và những kinh nghiệm thu được về vấn đề

này của nhiều tác giả có thể khẳng định rằng phân tích

PTHH vào bài toán phi tuyến vật liệu có thể thực hiện

với độ tin cậy cao.Vấn đề còn lại là hiệu quả kinh tế khi

lựa chọn ứng dụng vào sản xuất

Hình 3: Các mô hình bố trí thép trong dầm BTCT (Tavarez2001)

[2]

Giả thiết của phương pháp: Vật liệu là một môi

trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến

dạng tuân theo định luật Hooke trong phạm vi đàn hồi

của vật liệu

Năm 2001, Tavarez đã đề xuất ba kỹ thuật mô

phỏng cốt thép gia cố trong cấu kiện BTCT bằng mô

hình PTHH (Hình 3) mô hình tương tự, mô hình xen

kẹp, mô hình rời rạc mô phỏng thép trong bê tông

- Mô hình tương tự (Hình 3a) cho phép chia lưới

PTHH cốt thép dưới dạng một miền đều chạy dọc theo

các phần tử bê tông Điều này được áp dụng cho các mô

hình có kích thước lớn nên cốt thép không đóng vai trò

quan trọng trong sự làm việc tổng thể của kết cấu

- Mô hình xen kẹp (Hình 3b) đã khắc phục được

sự giới hạn trong việc phân chia phần tử bê tông do độ

cứng của thép được tính toán riêng biệt trong các phần tử bê tông Mô hình này được xây

dựng trên nguyên tắc giữ cho các chuyển vị của cốt thép tương ứng với các phần tử của bê

tông xung quanh Khi hàm lượng cốt thép phức tạp thì mô hình này rất hiệu quả Tuy nhiên,

mô hình này làm tăng số nút và số bậc tự do trong dầm, từ đó làm cho thời gian và chi phí

tính toán tăng lên

- Cốt thép trong mô hình rời rạc (Hình 3c) sử dụng phần tử thanh hoặc phần tử dầm liên

kết với các phần tử bê tông tại các nút lưới Vì vậy, cả bê tông và cốt thép được chia lưới

chung với nhau một số nút Nhược điểm của mô hình này là việc chia lưới của bê tông phụ

thuộc vào việc chia lưới của cốt thép và thể tích phần bê tông mà cốt thép chiếm chỗ không bị

trừ đi trong tổng thể tích khối bê tông

Cũng vào năm 2001, Fanning đã tiến hành mô hình hoá sự làm việc của cốt thép theo

mô hình rời rạc và mô hình tương tự trong dầm BTCT Và ông đã nhận thấy rằng mô hình rời

rạc là mô hình hợp lý nhất trong công việc mô hình hoá cốt thép

Trong bài viết này, tác giả sử dụng mô hình rời rạc để mô phỏng các phần tử bê tông và

phần tử cốt thép Đồng thời dùng chương trình ANSYS 10.0 để phân tích cấu kiện, được đề

cập ở các tài liệu [1,2]

Mô hình hóa cấu kiện:

Cấu kiện bê tông: Trụ pin đập tràn cao 35m tính từ mặt tràn, bề dầy trụ pin là 3m,

khoang tràn rộng 22m

Để mô hình hoá trụ pin bê tông cốt

thép, ta lựa chọn 3 phần tử chính để mô tả

bê tông, cốt thép chịu lực và trục dầm

chốt xoay bằng thép đặt ở tai van tại vị trí

đặt tải trọng để hạn chế ứng suất tập trung

tại điểm này Các loại phần tử sử dụng

cho mô hình này được thể hiện ở Bảng 1

Phần tử Solid 65 (3D Reinforced Concrete Solid) được sử dụng mô hình hoá bê tông

lid 45 (3D Structural Solid) được sử dụng để mô hình hoá trục tai van bằng

ợc

ết gi

Đây là phần tử có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z Phần tử Solid 65

có thể chuyển vị đàn hồi, nứt theo 3 phương và dùng để mô tả vật liệu bê tông có chứa hàm

lượng cốt thép

Phần tử So

thép ở vị trí đặt tải trọng nhằm không làm xuất hiện ứng suất tập trung tại các vị trí này Phần

tử Solid 45 có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z Solid45 này dùng để

mô tả các kết cấu thép

Phần tử Link 8 đư

sử dụng để mô hình hoá

cốt thép gia cố bên trong

dầm Đây là phần tử thanh

3D có 2 nút với 3 bậc tự

do theo 3 phương x, y, z

Mô hình hóa sự liên

k ữa phần tử bê tông

và cốt thép như Hình 4

a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song Hìn h 4: Mô hình sự liên k ết giữa phần tử bê tông và

thép hai phương án bố trí thép

Bảng 1: Các loại phần tử trong mô hình

Loại phần tử Phần tử trong ANSYS

a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song

Hình 5: Chia lưới phần tử hai phương án bố trí thép Điều kiện biên và tải trọng:

Để bảo đảm mô hình hoạt động giống như cấu kiện bê tông hoạt động trong thực tế, các điều kiện biên phải được đặt lên các mặt phẳng để giới hạn chuyển vị không mong muốn Các nút nằm trên mặt phẳng hai bên biên tràn được giới hạn chuyển vị theo phương vuông góc với mặt này Vì vậy, với các nút nằm trên mặt phẳng trái và phải của đập tràn sẽ có điều kiện chuyển vị theo phương UZ=0 Do không kể đến sự làm việc của nền, nên toàn bộ phần đáy của đập tràn coi như ngàm

Có hai tổ hợp lực: Tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt Nhận thấy với tổ hợp đặc biệt, ngoài tổ hợp lực cơ bản ra công trình còn chịu thêm lực xô ngang và thẳng đứng bất lợi tác động đến của động đất (Trong đó xô ngang rất nguy hiểm cho công trình) Ta chọn trường hợp tải trọng tổ hợp đặc biệt để tính toán Lực theo phương ngang Px=3920T, phương đứng Py=1181T

Tải trọng tập trung tại van được truyền đến 1 nút ở trọng tâm mặt ngoài của trục xoay bằng thép (Bỏ qua áp lực nước thượng lưu lên mặt trước trụ pin)

3 KẾT QUẢ TÍNH

* Kết quả tìm tổ hợp tải trọng nguy hiểm đối với trụ pin

a) Cả hai cửa van cùng đóng b) Một bên đóng, một bên mở Hình 6: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X

Bảng 2: Bảng kết quả ứng suất max theo các phương của hai trường hợp tính tải trọng

Trường hợp làm việc của cửa van σ x

max Sai số theo phương x

Nhận xét: Theo phương y, ứng suất không thay đổi nhiều, tuy nhiên với phương x sai số của trường hợp một bên đóng một bên mở so với hai bên cùng đóng là +29%

* Kết quả so sánh trường hợp mô hình hóa vật liệu là BT và Bê tông có kể đến sự làm việc của cốt thép (Thép bố trí hình rẻ quạt)

* Kết quả so sánh trường hợp bố trí thép hình rẻ quạt và thép song song có dự ứng lực trước

a) Mô hình hóa là BTCT b) Mô hình hóa là bê tông có kể thêm cốt thép

Hình 7: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X

a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song dự ứng lực Hình 8: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương XY

Trong phương án mô hình hoá vật liệu là BTCT thông thường, phần tử Solid65 được gắn các đặc trưng vật liệu của bê tông cốt thép

Phương án mô hình hoá vật liệu với các phần tử Solid65 được gắn các đặc trưng vật liệu

là bê tông, các phần tử link8 được gắn đặc trưng vật liệu là các thanh cốt thép φ25 bố trí theo hình nan quạt Việc bố trí thép số lượng thép 6φ25 ≈ 30cm2 (cả hai bên thành là 60cm2) chỉ mang tính định tính, tuy nhiên điều này cũng sẽ chỉ rõ được sự làm việc đồng thời của các thanh thép trong cấu kiện bê tông

Bảng 3: Kết quả ứng suất max của hai phương thức mô hình hoá

σ max

Phương án mô hình hoá vật liệu

Phương x Phương y

Sai số % theo phương x

PA mô hình hoá có kể đến sự làm việc

PA mô hình hoá có kể đến sự làm việc

Qua Bảng 3 ta nhận rõ sự khác biệt, khi mô hình hoá có kể đến sự làm việc đồng thời

của cốt thép trong bê tông, cùng với các điều kiện chống nứt trong bê tông, thì ứng suất giảm đến 34.17% so với phương án mô hình hoá là BTCT và khi cùng với diện tích Fa thép đó nhưng thêm ứng suất trước trong thép thì ứng suất trong bê tông của phương án có kể đến sự làm việc của cốt thép ứng lực trước giảm đến 44.52%

Ngoài ra ta có bảng kết quả so sánh ứng suất của kết cấu bê tông có kể đến sự làm việc của cốt thép dự ứng lực và không dự ứng lực

Bảng 4.2: Kết quả ứng suất max của các phương án đặt thép khác nhau

Phương án đặt thép fa (cm 2 ) Ứng suất max phương X Ứng suất max phương Y Sai số % theo phương X Đặt thép hình nan quạt

Đặt thép song song

(Có dự ứng lực)

Nhận thấy, cùng với diện tích cốt thép fa như nhau, với các điều kiện bê tông không nứt như nhau thì phương án đặt thép ứng lực trước (PA bố trí 60 sợi) giảm 14.98% ứng suất so với phương án phương án thép không sử dụng ứng lực trước (PA đặt thép hình nan quạt)

Thứ hai nữa là đối với phương án thép ứng lực trước, cùng với ứng lực đặt trước như nhau, các điều kiện về chống nứt trong bê tông, cách bố trí thép như nhau nhưng hàm lượng cốt thép fa giảm nhanh hơn so với sự tăng ứng suất trong trụ pin Do vậy để lợi hơn về kinh tế nên tăng ứng suất trước (trong giới hạn bé hơn ứng suất nén của bê tông và ứng suất chịu kéo của thép) hơn là tăng fa của cốt thép

Phương án bố trí thép ứng lực trước trong trụ pin rõ ràng là hội tụ được các ưu điểm của phương pháp bố trí thép ứng lực trước trong kết cấu bê tông Ngoài lợi hơn về mặt chịu lực, còn tiết kiệm được đáng kể về hàm lượng cốt thép, cách bố trí cũng đơn giản hơn Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước cấu kiện bê tông không quá lớn

và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình

4 KẾT LUẬN

Việc ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích kết cấu bê tông cốt thép đã được nghiên cứu, đánh giá và được khẳng định kết quả trong tất cả các giai đoạn làm việc của BTCT là phù hợp, sát với thực tế Ở đây trong phạm vi bài viết này, tác giả đã ứng dụng phương pháp PTHH để làm rõ hình ảnh của cấu kiện bê tông làm việc trong không gian và vai trò của cốt thép trong cấu kiện bê tông: hàm lượng, vị trí và cách bố trí, ứng lực trước và

không ứng lực Từ các kết quả tính toán đó có thể lựa chọn phương án bố trí thép trong cấu kiện một cách hợp lí

Qua việc mô hình hoá và phân tích sự làm việc cấu kiện bê tông, qua đánh giá các kết quả tính toán sử dụng phương pháp PTHH thông qua ứng dụng phần mềm thương mại ANSYS 10.0 của Mỹ như đã trình bày trên có thể kết luận về sự cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép trong các cấu kiện bê tông

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Vũ Quốc Anh, Phạm Thanh Hoan, năm 2006, “ Tính kết cấu bằng phần mềm Ansys

Version 10.0 ” Nhà xuất bản Xây dựng

2 Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng, năm 2003, “Ansys và mô phỏng số trong công

nghiệp bằng phần tử hữu hạn ” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

3 Phạm Ngọc Khánh, Nguyễn Ngọc Oanh, Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Công Thắng, “ Cơ học

kết cấu - Phần 2 : Phương pháp phần tử hữu hạn ”, Nhà xuất bản Nông nghiệp

4 Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Đào Duy Lâm, năm 2004, “Các ví dụ tính toán cầu bê tông

cốt thép theo tiêu chuẩn mới 22 TCN272-01”, Nhà xuất bản xây dựng

5 Nguyễn Hữu Thành, Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Hữu Luân, năm 1995, “Kết cấu bê tông cốt

thép” - Nhà xuất bản nông nghiệp

6 Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, năm 2005, “TCXDVN 356 : 2005 – Tiêu chuẩn thiết kế

kết cấu bê tông và bê tông cốt thép”, Nhà xuất bản xây dựng

7 Department Of The Army, U.S Army Corps of Engineers, năm 2000, “ Design Of Spillway

Tainter Gates ” EM1110-2-2702

8 Faherty, K.F, năm 1997, “An Analysis of a Reinforced and a Prestressed Concrete Beam by

Finite Element Method” Doctorate’s Thesis, University of Iowa, Iowa City

9 Kachlakev, D.I, Miller, T; Yim, S ; Chansawat, K ; Potisuk, T, năm 2001, “ Finite Element

Modeling of Reinforced Concrete Structutes Strengthened With FRP Laminates ”

Research space crippling stress in support of head segment valve

Abstract

In reality, to define the stress for calculating reinforcing content which used in structure of construction, the man have just simulated concrete operaion but not study the influence of internal reinforce This report introduce some researched results about the influence of reinforce to internal stress distribution of complex reinforced concrete so that demonstrate reinforced possibility in structure and it’s influence to internal stress of concrete The gained results from author’s research show internal stress of concrete when getting reinforcing influence (including the position and distribution) has error about 34.17% with the case which just calculate concrete operation in structure of construction This result demonstrate necessary about influence of reinforce distribution in complex concrete solid