TỔNG QUAN
Giới thiệu đề tài
Bê tông cốt thép là vật liệu quan trọng trong xây dựng, phục vụ cho nhiều ngành kinh tế như dân dụng, công nghiệp và cầu đường, nhờ vào khả năng chịu lực, chịu lửa, và dễ dàng tạo hình Tuy nhiên, nhiều kết cấu bê tông cốt thép, như trụ cầu, thường xuyên chịu va đập trong quá trình sử dụng Từ năm 2010, Việt Nam đã ghi nhận nhiều vụ tai nạn giữa cầu và phương tiện đường thủy, gây thiệt hại lớn cho kinh tế và xã hội Ví dụ, vào tháng 07/2010, ba tàu neo tại Hải Phòng đã va vào cầu Bính do bão, và tháng 03/2016, tàu thủy va chạm với cầu An Thái Tại TP Hồ Chí Minh, hai vụ va chạm trong năm 2015-2016 đã ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh, hai tuyến đường sắt quan trọng Theo báo cáo, sự cố sập cầu Đồng Nai vào tháng 03/2016 đã gây thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, có thể lên đến 800 tỷ đồng khi tính toàn bộ thiệt hại kinh tế.
Để giảm thiểu thiệt hại do va chạm giữa phương tiện đường thủy và trụ cầu bê tông cốt thép, cần thiết phải áp dụng các biện pháp bảo vệ cầu giao thông Bài toán va chạm bê tông cốt thép đã trở thành vấn đề quan trọng, được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhằm dự đoán và tính toán thiệt hại từ các tai nạn Các nhà khoa học đã phát triển nhiều lý thuyết và thuật toán để tìm ra giải pháp tối ưu cho vấn đề này Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải va chạm sẽ được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn, một công cụ mạnh mẽ trong giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tháng 6 năm 2008, hai tác giả Peng Yuan và Issam E Hark đã xuất bản báo cáo nghiên cứu cho Trung tâm giao thông vận tải ở Kentucky Hai bài nghiên cứu với tựa đề “Multi-barge flotilla impact forces on bridges” và “Equivalent barge and flotilla impact forces on bridge piers” Sau vụ va chạm giữa sà lan vào trụ cầu “The Queen Isabella Causeway”, đây là động lực để tác giả tiến hành nghiên cứu bài toán va chạm
Thông qua phương pháp AASHTO và kết quả mô phỏng tác giả đã đề xuất ra phương pháp tính va chạm nhằm mang lại độ tin cậy
Vào năm 2002, Gary R Consolazio và Ronald A Cook đã công bố nghiên cứu về khả năng va chạm giữa cầu và sà lan JH, mang tên “Barge Impact Testing of the St George Island Causeway Bridge” Nghiên cứu này diễn ra tại Florida, một tiểu bang thuộc khu vực đông nam Hoa Kỳ.
Florida, một tiểu bang của Hợp chúng quốc Hoa Kỳ, chủ yếu là một bán đảo nằm giữa vịnh Mexico, Đại Tây Dương và eo biển Florida Để cải thiện khả năng di chuyển, cầu Saint George Island Causeway Bridge đã được xây dựng vào năm
Vào năm 2002, cây cầu được thiết kế bởi Đại học Florida, với sự nhận thức về tầm quan trọng của nó Hai tác giả đã thực hiện các phép tính để đánh giá va chạm giữa trụ cầu và sà lan JH.
Từ năm 2010, Việt Nam đã ghi nhận nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng giữa cầu và phương tiện đường thủy, gây thiệt hại lớn cho kinh tế và xã hội Cụ thể, vào tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) đã bị trôi do bão và va chạm với cầu Bính.
Vào tháng 3 năm 2016, một vụ va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái đã xảy ra tại Hải Phòng Tại thành phố Hồ Chí Minh, trong giai đoạn 2015-2016, đã ghi nhận hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh, cả hai đều là tuyến đường sắt quan trọng của cả nước Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, sự cố sập cầu Đồng Nai (cầu Ghềnh) vào ngày 20/03/2016 đã gây thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, và nếu tính tổng thiệt hại về kinh tế cùng chi phí vận chuyển, con số này có thể lên đến 800 tỷ đồng.
Để giảm thiểu thiệt hại do va chạm giữa phương tiện đường thủy và cầu, cần thiết phải triển khai các biện pháp bảo vệ cầu hiệu quả Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu tại Việt Nam, nhưng vẫn còn tồn tại nhiều hạn chế trong việc áp dụng các biện pháp này.
Tháng 6 năm 2016, TS Lê Quốc Tiến (trường Đại học Hàng hải Việt Nam) đã có bài báo đăng trên trang tạp chí giao thông với tựa đề “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước va chạm với phương tiện thuỷ” Bài báo nêu thực trạng của sự va chạm trong và ngoài nước những năm 1960 trở lại đây, điểm nhấn trong bài báo tác giả muốn xác định lực va chạm và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này, từ đó tác giả đã đưa ra một số biện pháp bảo vệ cầu Bên cạnh đó, TS Nguyễn Xuân Toản và Nguyễn Đức Hoàng đã phân tích va chạm qua bài báo “Phân tích va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn thành phố Đà Nẵng” Bằng việc kết hợp hai bài toán cơ bản, bài toán va chạm và bài toán dao động kết cấu, tác giả đã xử lý và phân tích được hiệu ứng va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn.
Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu
Sà lan, hay còn gọi là Chaland theo tiếng Pháp, là loại thuyền có đáy bằng, chuyên chở hàng hóa nặng chủ yếu trên các kênh và sông Hiện nay, sà lan được phân thành hai loại chính.
Sà lan thông thường: loại này không thể tự di chuyển mà chúng phải được kéo hoặc đẩy bằng một tàu kéo
Sà lan tự hành: loại này có thể tự di chuyển mà không cần tàu kéo
Hình 1.1 Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông [nguồn: internet]
Vận tải hàng hoá ngày càng trở nên quan trọng với sự phát triển của đất nước, không chỉ qua đường bộ mà còn qua đường thuỷ và hàng không Khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long, với hệ thống sông ngòi phong phú, là nơi lý tưởng cho phát triển giao thông đường thuỷ Sà lan, một trong những phương tiện đường thuỷ phổ biến, mang lại nhiều lợi ích như vận chuyển an toàn hàng hoá lớn, đảm bảo chất lượng, giảm hao hụt, rủi ro, và thời gian lưu thông, từ đó giảm giá thành và nâng cao sức cạnh tranh cho doanh nghiệp Hơn nữa, vận tải bằng sà lan còn giúp giảm ùn tắc giao thông đường bộ và tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng.
Hình 1.2 Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu [nguồn: internet]
Sà lan có thể chuyên chở các mặt hàng sau:
Vận tải hàng vật liệu xây dựng: xi măng, ống nước, gạch, cát, đá, sắt thép,…
Vận tải hàng nông sản: gạo, bắp, bột mỳ, rau củ,…
Vận tải hàng sản xuất công nghiệp: dệt vải, bao bì, thức ăn gia súc, máy móc thiết bị,…
Vận tải hàng xuất nhập khẩu
Cầu là công trình giao thông quan trọng, kết nối hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di chuyển trở nên dễ dàng hơn Nó được xây dựng để vượt qua các chướng ngại nước như sông, hồ, biển, thung lũng, và cả các tuyến đường bộ, đường sắt, đảm bảo giao thông liên tục Hiện nay, cầu đã được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống Độ khó trong việc xây dựng cầu chủ yếu nằm ở kết cấu, do đó thiết kế kết cấu cầu thường do các kỹ sư xây dựng đảm nhiệm, với ít sự tham gia từ các kiến trúc sư.
Hình 1.3 Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp [nguồn: internet]
Trụ cầu là một thành phần quan trọng trong cấu tạo của cây cầu, bao gồm các bộ phận như kết cấu nhịp, mố cầu, móng cầu, gối cầu và phụ kiện Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào việc phân tích và tìm hiểu chi tiết về trụ cầu.
Hình 1.4 Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet]
Các thành phần cơ bản của cây cầu
Trụ cầu là bộ phận nằm giữa hai mố cầu, giúp kết cấu nhịp tựa lên Do các yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật, chiều dài của kết cấu nhịp không thể vượt quá một giới hạn nhất định.
Trong xây dựng cầu, khoảng cách lớn giữa các trụ cầu yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian để truyền tải lực từ kết cấu nhịp xuống móng công trình Đối với cầu dây văng hoặc cầu treo, trụ cầu thường được thiết kế cao hơn mặt cầu để có thể treo và neo dây cáp chịu lực, được gọi là trụ tháp.
Trụ cầu đóng vai trò quan trọng trong việc phân chia nhịp và truyền tải phản lực từ hai đầu kết cấu nhịp, với hình dáng đối xứng theo cả phương dọc và ngang Ngoài ra, trụ cầu cần đáp ứng các yêu cầu về mỹ quan, khả năng chịu va chạm với tàu thuyền và tác động của dòng chảy Thường có hai dạng chính của trụ cầu.
Trụ dẻo thường sẽ có hai dạng: cột, cọc
Trụ cứng: trụ toàn khối, trụ lắp ghép
Trụ cứng là thành phần quan trọng của cây cầu, bao gồm ba bộ phận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ Để bảo vệ trụ khỏi dòng nước chảy xiết và va chạm từ tàu bè hay cây trôi, có thể lắp đặt bộ phận chống va xô Các dạng trụ cứng phổ biến bao gồm trụ đặc thân hẹp, trụ đặc thân rộng và trụ thân cột.
1.3.3 Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu
Những rủi ro gây ra sự va chạm thường phụ thuộc vào:
Đặc điểm của cây cầu
Đặc điểm của đường thuỷ
Đặc điểm sự giao thông của phương tiện nổi
Đặc điểm của người lái tàu
1.3.4 Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của phương tiện thủy
Để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu, cách an toàn nhất là đặt toàn bộ kết cấu cầu trên bờ Phương pháp này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí xây dựng công trình bảo vệ mà còn cho phép tính toán chi phí phụ trội từ việc tăng chiều dài nhịp cầu Đối với cầu dạng vòm, phần vòm cần được thiết kế tránh xa khu vực có khả năng bị tác động.
3.2 minh họa về cầu Tjửrn ở Thụy Điển chịu va chạm tàu và biện phỏp khắc phục Sau sự cố va chạm dẫn đến sập cầu, cầu mới được xây dựng có nhịp chính 366m, tăng từ cầu vòm ban đồ có nhịp 217m Đồng thời, khoảng tĩnh cho toàn bộ chiều dài của nhịp chính là 45,3m
Hình 1.5 Cầu Tjorn, Thụy Điển [nguồn: internet]
Hình 1.6 Cầu Tjorn cũ sau va chạm [nguồn: internet]
Bên cạnh cầu Tjửrn, nhiều cầu trên thế giới cũng áp dụng phương pháp tương tự để giảm thiểu va chạm với phương tiện thủy, điển hình như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc và cầu Stonecutter ở Hồng Kông.
Đảo nhân tạo hoặc kết cấu dẫn hướng được sử dụng để làm chệch hướng tàu trong những vùng nước rộng, nơi không thể xây cầu mà không có trụ cầu trên kênh hành hải Phương pháp này mang lại độ an toàn cao, cho phép các phương tiện thủy dừng lại từ từ, giảm thiểu thiệt hại cho vỏ tàu Đảo này không yêu cầu bảo trì nhiều và chỉ cần bồi đắp một lượng nhỏ sau va chạm để bảo vệ khỏi ăn mòn Tuy nhiên, việc sử dụng đảo nhân tạo có thể bị hạn chế vì nó có thể không làm giảm mặt cắt ướt của dòng chảy, dẫn đến nguy cơ tăng tốc độ dòng chảy.
Hình 1.7 Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ [nguồn: internet]
Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ là một công trình nổi bật với việc sử dụng đảo nhân tạo để bảo vệ trụ cầu Hai cây cầu trong Hình 1.7 được thiết kế với một trụ cầu đặt trên bờ, trong khi trụ còn lại được hỗ trợ bởi một đảo nhân tạo xây dựng ở vị trí nước nông.
Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu được va chạm trực tiếp
Ý nghĩa của đề tài
Mô phỏng vùng phá hủy kết cấu bê tông cốt thép khi sà lan va chạm
Kết quả mô phỏng giúp xác định và khắc phục những điểm yếu trong kết cấu, từ đó cải thiện độ bền và tuổi thọ của công trình, đồng thời tối ưu hóa chi phí xây dựng.
Mục tiêu và phạm vi của đề tài
Phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh được áp dụng để mô phỏng quá trình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, đồng thời xem xét hiện tượng phá hủy của bê tông Nghiên cứu xác định các vùng phá hủy của kết cấu sau va chạm, trong đó vật liệu bê tông và cốt thép của trụ cầu được phân tích trong miền đàn hồi đẳng hướng, và sự tương tác giữa trụ cầu với đất được bỏ qua.
Tóm tắt chương 1
Nghiên cứu va chạm giữa sà lan và trụ cầu bê tông là rất quan trọng do nhu cầu vận chuyển hàng hóa ngày càng tăng, dẫn đến việc sà lan có trọng tải lớn hơn Những va chạm này không chỉ gây ra thiệt hại nghiêm trọng cho trụ cầu mà còn tiềm ẩn nguy cơ xảy ra nhiều tai nạn đáng tiếc.
Tìm hiểu sơ lược về kết cấu sà lan và trụ cầu
Những nguyên nhân gây nên sự va chạm và những biện pháp khắc phục
Trong bài nghiên cứu về sự chịu lực của trụ bê tông cốt thép
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kết cấu bê tông cốt thép
Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng kết hợp giữa bê tông và thép, trong đó hai thành phần này có tính chất cơ học khác nhau nhưng phối hợp hiệu quả để chịu lực Sự kết hợp này mang lại tính kinh tế và độ bền cao cho các công trình xây dựng.
Bê tông là loại đá nhân tạo được hình thành từ cốt liệu như cát và đá, kết hợp với chất kết dính bao gồm xi măng và nước Với khả năng chịu nén vượt trội, bê tông lại có độ bền kéo kém.
Thép là vật liệu có khả năng chịu kéo và chịu nén tốt, do đó thường được sử dụng làm cốt trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Kết quả là sự hình thành của kết cấu bê tông cốt thép.
Hình 2.1 Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép [nguồn: internet]
Dầm BTCT tận dụng tối đa khả năng chịu nén của bê tông và khả năng chịu kéo của thép, giúp tăng cường khả năng chịu mô men và sức kháng uốn vượt trội So với dầm bê tông cùng kích thước, dầm BTCT có sức chịu đựng lớn hơn hàng chục lần.
Cốt thép có khả năng chịu kéo và nén tốt, vì vậy nó được sử dụng trong các cấu kiện chịu kéo, chịu nén và chịu uốn xoắn, nhằm tăng cường khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện và giảm thiểu lực kéo ngẫu nhiên.
Bê tông và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do :
Lực dính bám giữa bê tông và thép trên bề mặt tiếp xúc là rất lớn, cho phép lực truyền từ bê tông sang thép và ngược lại Điều này làm cho lực bám dính có vai trò quan trọng trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT).
Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác cường độ của cốt thép và hạn chế bề rộng vết nứt trong vùng kéo Do đó, việc tăng cường lực bám dính này là cần thiết để cải thiện hiệu suất của công trình.
Bê tông không chỉ không phản ứng hóa học với cốt thép mà còn đóng vai trò bảo vệ cốt thép khỏi sự ăn mòn do môi trường gây ra.
Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép tương đương, dẫn đến khi nhiệt độ thay đổi trong khoảng dưới 100 oC, ứng suất phát sinh là không đáng kể, không gây hại cho lực dính bám giữa bê tông và cốt thép.
2.1.2 Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép
2.1.2.1 Bê tông cốt thép thường
Cốt thép được sử dụng trong cấu kiện bê tông cốt thép nhằm chịu lực kéo, lực nén và định vị các cốt thép khác Số lượng cốt thép được xác định qua tính toán, đồng thời phải đáp ứng các yêu cầu về cấu tạo.
Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn , tải cục bộ
Cốt thép chịu kéo mô men uốn được đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, theo biểu đồ mô men, và nên được bố trí càng xa trục trung hòa càng tốt để đảm bảo hiệu quả chịu lực.
Hình 2.2 Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép [nguồn: internet]
Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra dố là các cốt thép đai ( cốt ngang ) được đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt
Hình 2.3 Biểu đồ lực cắt và cách bố trí cốt đai [nguồn: internet]
Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột, các cốt thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông
Cốt thép định vị các cốt thép khác trong thi công
Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt được phân bố gần bề mặt của cấu kiện nhằm chịu ứng suất do co ngót và thay đổi nhiệt độ Các cốt dọc và cốt thép ngang đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nứt bề mặt này.
Trong cấu kiện chịu uốn, nếu chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện cốt thép đơn Ngược lại, khi có cả cốt dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén, thì gọi là tiết diện cốt thép kép Sơ đồ bố trí cốt thép trong các cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn và kéo lệch tâm lớn tương tự như trong cấu kiện chịu uốn.
2.1.2.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực
Cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực bao gồm hai loại cốt thép: cốt thép thường và cốt thép dự ứng lực Cốt thép thường được bố trí và thực hiện nhiệm vụ tương tự như trong cấu kiện bê tông cốt thép thông thường.
Cốt thép dự ứng lực đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra ứng suất nén trước cho bê tông Cốt thép này có thể được lắp đặt theo nhiều hình dạng khác nhau, bao gồm đường thẳng, đường cong hoặc kết hợp cả hai.
Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam
Để đánh giá cường độ bê tông, cần hiểu rõ các khái niệm liên quan theo tiêu chuẩn thiết kế Một số vấn đề về cường độ bê tông trong tính toán kết cấu theo TCXDVN 5574-2012 đã được trình bày Đặc biệt, cường độ chịu nén của bê tông là yếu tố quan trọng, vì việc thí nghiệm đánh giá cường độ chịu nén dễ thực hiện và cho kết quả đáng tin cậy hơn so với các đặc trưng khác như cường độ kéo.
Cường độ bê tông tại thời điểm nén trước Rbp phải không nhỏ hơn 11 MPa, và nếu sử dụng thép thanh nhóm A-VI, AT-VI, AT-VIK và AT-VII cùng với thép sợi cường độ cao không có neo và thép cáp, yêu cầu tối thiểu là 15,5 MPa Rbp cũng không được nhỏ hơn 50% cấp độ bền chịu nén của bê tông Đối với kết cấu chịu tải trọng lặp, khi sử dụng cốt thép sợi ứng lực trước và cốt thép thanh ứng lực trước nhóm CIV, A-IV với mọi đường kính, cũng như nhóm A-V có đường kính từ 10 mm đến 18 mm, cấp bê tông tối thiểu trong Bảng 2.1 cần tăng thêm 5 MPa Khi thiết kế các kết cấu riêng, có thể giảm cấp bê tông tối thiểu xuống một bậc 5 MPa so với các giá trị trong Bảng 10, đồng thời giảm cường độ bê tông khi bắt đầu chịu ứng lực trước.
Bảng 2.1 Qui định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước
Cường độ tính toán của bê tông được xác định theo các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai bằng cách chia cường độ tiêu chuẩn cho hệ số độ tin cậy tương ứng, bao gồm γbc cho nén và γbt cho kéo Các giá trị của hệ số γbc và γbt cho một số loại bê tông chính được trình bày trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2 Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γbc và khi kéo γbt
Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông (Rbtn) được xác định dựa trên cấp độ bền chịu nén của bê tông, như được nêu trong Bảng 2.3, trong trường hợp độ bền chịu kéo không được kiểm soát trong quá trình sản xuất.
Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông được xác định thông qua việc kiểm soát độ bền chịu kéo trong quá trình sản xuất, đảm bảo mức độ bền với xác suất nhất định.
Bảng 2.3 trình bày các cường độ tiêu chuẩn của bê tông Rbn, Rbtn và cường độ tính toán của bê tông khi áp dụng các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser, Rbt,ser, được đo bằng đơn vị MPa.
Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông
Theo [10,mMô hình vật liệu bê tông dự báo sự phá hủy của vật liệu giòn Với cả
2 khả năng nứt và nghiềm nát đều được tính đến
Phần tử Solid65 trong ANSYS được sử dụng để mô hình hóa khối bê tông, là phần tử đặc biệt dành riêng cho vật liệu này.
Phần tử này gồm có 8 nút vơi 3 bậc tự do chuyển vị dài tại mỗi nút, phần tử có dạng hình học như hình dưới
Hình 2.5 Dạng hình học của phần tử SOLID65 [10]
Tiêu chuẩn phá hủy của của bê tông ở trạng thái chịu áp lực đa trục đươc thẻ hiện dưới dạng như sau:
F - Hàm ứng suất chính ( xp , yp , zp ) f c - Độ bền kéo đơn trục
S- Bề mặt phá hủy được xác định từ 5 thông số f , f , f , f , f t c cb 1 2 yp zp
xp - các ứng suất chính
Bảng 2.4 Các thông số đầu vào
F t Độ bền kéo cuối cùng cực đại 3
F c Độ bền nén cực đại 4
F cb Cường độ nén cực đạị 5
Trạng thái ứng suất thủy tĩnh xung quanh bao gồm độ bền nén cực đại trong trạng thái nén hai chiều, chồng lên trạng thái ứng suất thủy tĩnh Đồng thời, sức ép nén cực đại cũng được xác định cho trạng thái đơn trục nén, ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất thủy tĩnh.
Nếu thỏa mãn công thức trên thì vật lệu sẽ nứt hoặc sẽ bị nghiền nát
Tuy nhiên, bề mặt phá hủy có thể được xác định với tối thiểu là hai hằng, ft và fc
Ba hằng số khác mặc định theo Willam và Warnke:
Tuy nhiên, các giá trị mặc định này chỉ có giá trị đối với các trạng thái khi điều kiện:
Điều kiện trong Phương trình 1.6 chỉ áp dụng cho các tình huống có thành phần ứng suất thủy tĩnh thấp Đối với các trường hợp có thành phần ứng suất thủy tĩnh lớn, tất cả năm thông số hỏng hóc cần được xác định Nếu không thỏa mãn điều kiện của Phương trình 1.6 và các giá trị mặc định trong công thức 1.3 đến 1.5 được giả định, cường độ của vật liệu bê tông có thể bị đánh giá sai Khi khả năng nghiền giảm xuống còn fc = -1.0, vật liệu sẽ bị nứt khi một thành phần ứng suất chính vượt quá f t.
Cả hai chức năng F và bề mặt hư hỏng S được thể hiện dưới dạng các áp lực chính được biểu diễn là σ1, σ2, và σ3 trong đó:
2 yp zp max ( , , ) min ( , , ) xp xp
Sự phá hủy cảu bê tông được chia làm 4 trường hợp:
0 (nén - nén - nén) trong trường hợp này F có dạng:
Các hệ số a a a b b b 0 , , 1 2 , , , 0 1 2 được xác định như sau:
Chức năng r2 được tính bằng cách điều chỉnh b0, b1 và b2 để đáp ứng các điều kiện:
(2.12) tỷ lệ r1 / r2 bị giới hạn trong phạm vi:
Mặc dù giới hạn trên không được coi là hạn chế vì 1
2 r 1 r đối với hầu hết các vật liệu Ngoài ra, các hệ số a0, a1, a2, b0, b1 và b2 phải đáp ứng các điều kiện:
Bề mặt bị hỏng sẽ được đóng lại và dự báo phá hủy xảy ra khi áp suất thủy tĩnh cao (ξ> ξ2) Mặc dù sự phá hủy của bề mặt chưa được kiểm chứng thực nghiệm, nhưng các giá trị f1 và f2 được lựa chọn dựa trên áp lực thủy tĩnh trong khu vực lân cận hoặc cao hơn áp suất thủy tĩnh cực đại mong đợi trong kết cấu.
Hàm F được xác định dưới dạng như sau:
Và hàm S được viết ở dạng:
Hàm F và S được viết dưới dạng:
Nếu tiêu chuẩn phá hủy cho cả hai trường hợp i = 1 và i = 2 được thỏa mãn, nứt sẽ xảy ra ở các mặt phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ1 và σ2 Ngược lại, nếu chỉ thỏa mãn với i = 1, nứt chỉ xuất hiện ở mặt phẳng vuông góc với ứng suất chính σ1.
Hàm F và S được xác định ở dạng:
Nếu tiêu chuẩn phá hủy được thỏa mãn trong các hướng 1, 2 và 3, nứt sẽ xảy ra ở các mặt phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ1, σ2 và σ3 Ngược lại, khi tiêu chuẩn phá hủy chỉ thỏa mãn trong hướng 1 và 2, sự nứt sẽ diễn ra ở mặt phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ1 và σ2.
Nếu tiêu chuẩn phá hủy chỉ thỏa mãn trong hướng 1, sự nứt xảy ra ở mặt phẳng vuông góc với áp suất chính σ1.
Lực va chạm
Nghiên cứu đầu tiên về va chạm tàu được thực hiện bởi Minorsky, dựa trên kết quả thực nghiệm từ 26 vụ va chạm trực tiếp giữa hai tàu thủy.
Năm 1958, nghiên cứu của Woisin chỉ ra mối quan hệ tuyến tính giữa lượng biến dạng của thép trên hai tàu và năng lượng hấp thu trong va chạm Lực va chạm này chỉ áp dụng cho va chạm giữa hai tàu, trong khi bảo vệ trụ cầu cần xem xét va chạm trực diện với tường cứng Woisin đã phát triển mối quan hệ động lực học giữa lực va chạm theo thời gian, cho thấy lực lớn nhất trong khoảng 0,1 đến 0,2 giây đầu tiên sau va chạm gấp đôi lực va trung bình sau vài giây.
Hình 2.6 Năng lượng va chạm theo Minorsky [4]
Hình 2.7 Thí nghiệm va chạm của Woisin [4]
Hình 2.8 Lực va chạm theo thời gian đề xuất bởi Woisin [4]
Kết quả thí nghiệm của Woisin cho thấy lực va tĩnh của tàu lớn với tường cứng tỉ lệ với căn bậc hai của tấn trọng tải (DWT) Tuy nhiên, có sự phân bố rộng của lực va cho các tàu có cùng DWT, phụ thuộc vào cấu trúc vỏ tàu và vận tốc va chạm Dựa trên điều này, Svensson đã đề xuất công thức tính lực va với độ phân tán ±50%.
Công thức được Svensson giới thiệu vào năm 1981 và được AASHTO nghiên cứu trong hướng dẫn thiết kế cầu cao tốc liên quan đến va chạm tàu Nghiên cứu của Woisin cho thấy mối quan hệ giữa phân bố lực va, kết hợp với đề xuất ±50% của Svensson, đã được đưa ra Điều này giúp giản lược phân bố rộng của lực va tính toán.
Woisin đã áp dụng đường phân chia 70% giá trị trung bình của lực va tàu để tính toán lực phản hồi của cầu và ước lượng các thành phần cần thiết để chống lại lực va chạm Việc sử dụng đường 70% này đã làm tăng hệ số phân tính của đề xuất ±50% của Svensson từ 0,88 lên 0,98 Ngoài ra, Woisin cũng đã đề xuất một hệ số tương ứng với đa dạng các vận tốc.
Với F- Bình quân lực va theo MN và v- Tốc độ của tàu va theo m/s
Hình 2.9 Lực va tĩnh theo kích thước tàu [4]
Hình 2.10 Tổng năng lượng ứng với các năng lượng khác nhau [4]
Lực va tối đa ước tính gấp đôi lực trung bình, nhưng không được AASHTO khuyến nghị do xảy ra trong khoảng thời gian quá ngắn từ lúc bắt đầu va chạm, có thể gây ra vấn đề lớn cho hầu hết các kết cấu Để đảm bảo tính chính xác trong phân tích, lực va trung bình theo thời gian tăng lên tới 70% mức phân tách.
Một công thức khác để xác định lực va chạm theo Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode
1, theo đó, lực va chạm thiết kế được xác định theo công thức:
K- Độ cứng tương ứng m- Khối lượng va chạm v- Vận tốc
Phương trình tiêu chuẩn châu Âu cho kết quả cao hơn một chút so với giá trị của tiêu chuẩn AASHTO Bên cạnh đó, theo Svensson, còn có các phương pháp khác để xác định lực va chạm, bao gồm phương pháp của Pedersen và phương pháp của đại học Tongji.
Hình 2.11 Quan hệ lực va chạm và vận tốc tàu theo AASHTO [6]
Hình 2.12 So sánh lực va lên tường cứng và cọc đàn hồi ứng với các phương pháp khác nhau [6]
Phương pháp phần tử hữu hạn
2.5.1 Quan hệ ứng suất biến dạng
Một vật thể đàn hồi sẽ trải qua biến dạng về mặt hình học và ứng suất về mặt tĩnh học khi chịu tác động Bài viết này sẽ khám phá mối quan hệ giữa trạng thái ứng suất và biến dạng, đồng thời xem xét các tính chất vật lý của vật thể.
Trong bài toán ba chiều với vật liệu đẳng hướng, định luật Hooke thể hiện quan hệ giữa biến dạng và ứng suất như sau
, Hay ở dang ma trận, và kể đến thành phần biến dạng ban đầu
{ = là vector iến dạng, Pa
= là vector biến dang ban đầu [C] là ma trận các hệ số đàn hồi
E là module đàn hồi (hay module Young) của vật liệu, Pa
G là module đàn hồi trượt, Pa là hệ số Poison của vật liệu
Việc xác định hệ số Poison thông qua thực nghiệm gặp nhiều khó khăn hơn so với việc xác định moodun đàn hồi trượt (G) từ thí nghiệm xoắn Do đó, G thường được tìm kiếm thông qua các thí nghiệm xoắn.
G từ thí nghiệm xoắn thanh tròn trước rồi mới xác định hệ số Poisson từ quan hệ sau đây :
G = (2.23) Đôi khi chúng ta cũng cần đến các biểu thức biểu diễn ứng suất theo biến dạng, bằng cách nghịch đảo (2.23) ta có:
Trong kỹ thuật, bên cạnh vật liệu đẳng hướng (isotropic), còn có vật liệu không đẳng hướng (anisotropic) như cốt thép, gỗ và các vật liệu composite Khác với vật liệu đẳng hướng, các tính chất của vật liệu không đẳng hướng tại một điểm có sự khác biệt theo các phương khác nhau Định luật Hooke tổng quát mô tả mối quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và ứng suất.
Ma trận các hệ số đàn hồi [C] là đối xứng và chứa 21 hằng số độc lập, trong đó các chỉ số 1, 2, 3 thay thế cho x, y, z Đối với vật liệu trực hướng (orthotropic), số hằng số độc lập trong ma trận [C] giảm xuống còn 9.
E1, E2, E3 là môđun đàn hồi trong các mặt phẳng được xác định tương ứng bởi các trục 1, 2 hay 3 (hoặc x, y, z)
G12, G23, G31 là các môđun đàn hồi trượt trong các mặt phẳng 12, 23 và 31
là các hệ số Poisson
Khi vượt qua miền đàn hồi của vật liệu, chúng sẽ đến trạng thái chảy dẻo và phá huỷ, các miền đó được thể hiện ở hình 2.9
Hình 2.13 Đồ thị ứng suất biến dạng
Biến cứng hay tái bền của vật liệu là hiện tượng mà giá trị ứng suất chảy gia tăng khi biến dạng dẻo tăng lên Quy luật biến cứng đối với vật liệu có ứng xử dẻo được mô tả như sau:
Hai loại biến cứng phổ biến là biến cứng đẳng hướng và biến cứng động học, với sự phân bố phụ thuộc vào thông số biến cứng β (β = 0 cho biến cứng động học và β = 1 cho biến cứng đẳng hướng) Tốc độ biến dạng được tính toán theo mô hình Cowper-Symonds, được mô tả bằng công thức cụ thể.
0 là ứng suất ban đầu, Pa
là tốc độ biến dạng
C và P là thông số tốc độ biến biến dạng của mô hình Cowper-Symonds eff
P là biến dạng dẻo dự đoán
Et là môđun dẻo, Pa t P t
Et là moodun tiếp tuyến, Pa
2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic)
Phương trình động lực học tổng quát trong phân tích phần tử hữu hạn được thể hiện qua biểu thức sau :
M là ma trận khối lượng, C là ma trận giảm chấn, K là ma trận độ cứng, F là vector tải ngoại lực, U là vector chuyển vị
Va chạm là hiện tượng vật lý phức tạp, thường diễn ra trong thời gian ngắn và liên quan đến các bài toán động lực học phi tuyến Phương pháp PPPTHH trong động lực học (Explicit dynamic) được áp dụng rộng rãi cho các tình huống tương tác va chạm, và ngày càng được cải tiến để giải quyết hiệu quả các bài toán tiếp xúc với quy mô lớn Phần mềm thương mại LS-DYNA hiện đang áp dụng phương pháp này với thuật toán lặp Newton-Raphson.
Hầu hết các hiện tượng đều xảy ra theo dạng phi tuyến, trong đó hai loại phi tuyến phổ biến là phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Đặc biệt, trong các hiện tượng va chạm, sự phi tuyến về hình học và vật liệu đóng vai trò quan trọng Va chạm đột ngột dẫn đến sự biến đổi phức tạp của hình học, từ dạng đơn giản như đường thẳng chuyển sang dạng đường cong phi tuyến Tương tự, vật liệu cũng có thể nhanh chóng chuyển từ miền đàn hồi tuyến tính sang miền chảy dẻo và phá hủy.
Trong hiện tượng va chạm, phương trình có thể chuyển từ dạng tuyến tính sang phi tuyến, tùy thuộc vào đặc điểm của bài toán.
Trước khi tìm hiểu về phương pháp lặp, chúng ta xét phương trình chủ đạo cho phân tích biến dạng nhỏ có dạng sau :
F là ngoại lực cân bằng tác động lên các điểm nút
B là ma trận tính biến dạng
Nếu quan hệ ứng suất-biến dạng đàn hồi tuyến tính được giả định, phương trình (2.31) có thể thu được cho phân tích tuyến tính như sau:
Trong đó: [K] là ma trận độ cứng của kết cấu
Trong tính toán đàn-dẻo, mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có thể phi tuyến, với phương trình chủ đạo là phương trình phi tuyến của biến dạng, do đó là hàm phi tuyến của chuyển vị nút Các phương pháp lặp thường được sử dụng để giải phương trình cho chuyển vị nút {U} tương ứng với tập hợp ngoại lực đã cho Trong phân tích gia số, tải tổng {R} tác động lên cấu trúc được thêm vào từng bước bởi các gia số, và ở bước thứ (m+1), tải được biểu diễn theo cách cụ thể.
Giả sử các lời giải ở bước tải thứ m, chúng ta biết m U , m , m thì ở bước tải (m+1) ta có
1 m m (2.36) Ở đây chữ viết lên trên bên trái đối với các gia số được bỏ qua Phương trình (2.34) viết lại như sau:
Trong đó : m 1 F là lực cân bằng của ứng suất tác động lên các điểm nút
Phương pháp Newton là một trong những giải thuật phổ biến để giải các phương trình đồng thời phi tuyến, thường được áp dụng trong tính toán phần tử hữu hạn.
Khảo sát ứng suất là hàm phi tuyến của chuyển vị U
Phương trình này là phương trình ma trận phi tuyến theo chuyển vị m 1 U
Phương pháp lặp cân bằng được sử dụng để giải phương trình (2.40) nhờ vào sự cân bằng giữa ngoại lực (m + 1 {F}) và nội lực (m + 1 {R}) Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về phương pháp Newton-Raphson.
Khi thu được lời giải xấp xỉ của bước lặp thứ (i-1), m 1 U ( 1) i , cho chuyển vị
1 m U Khai triển chuỗi Taylor cho m 1 U ở m 1 U ( 1) i và bỏ qua các số hạng bậc cao, chúng ta thu được
là ma trận độ cứng đàn-dẻo tương ứng với chuyển vị
U và m 1 K ( 1) i là ma trận độ cứng tiếp tuyến của kết cấu Chúng ta thu được sơ đồ lặp của giải thuật Newton-Raphson
Phương pháp Newton-Raphson có tốc độ hội tụ cao, nhưng quá trình lặp sẽ tiếp tục cho đến khi đạt tiêu chuẩn hội thích hợp Tuy nhiên, việc tính toán ma trận độ cứng tiếp tuyến ở mỗi bước lặp có thể trở nên phức tạp khi hệ thống khảo sát lớn Đối với các vật liệu chảy dẻo lý tưởng hoặc biến mềm, ma trận độ cứng tiếp tuyến có thể suy biến, gây khó khăn trong quá trình tính lặp Do đó, khi phương pháp Newton-Raphson gặp vấn đề suy biến, hai phương pháp thay thế là phương pháp Newton-Raphson hiệu chỉnh và phương pháp tựa Newton sẽ được áp dụng.
Tóm tắt chương 2
Va chạm là hiện tượng phổ biến trong đời sống và kỹ thuật, có thể giải quyết bằng các định luật bảo toàn hoặc phương pháp số hiện đại Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm tính toán và mô phỏng như ANSYS và ABAQUS Bài viết này sẽ phân tích hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu đơn, với độ phức tạp về hình học và tính chất vật liệu của hai đối tượng Trong chương 2, tác giả sẽ trình bày các vấn đề lý thuyết quan trọng để áp dụng cho bài toán mô phỏng này.
Các đặc điểm kết cấu bê tông cốt thép
Tiêu chuẩn phá hủy của bê tông
Hiện tượng va chạm và lực va chạm
Phương pháp phần tử hữu hạn tường minh cho bài toán va chạm.
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
Giới thiệu các mô đun của phần mềm dùng để mô phỏng
3.1.1 Mô đun Explicit dynamic trong ANSYS WORKBENCH
Chúng ta có thể xác định sự cố trong cơ sở dữ liệu của Explicip Dynamic, đồng thời hệ thống Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) cho phép xuất mô hình dưới định dạng tệp LS-DYNA để phân tích tiếp theo Trừ khi có ghi chú cụ thể, phần này sẽ đề cập đến cả hai hệ thống Động lực học rõ ràng và LS-DYNA Export, với các điều kiện đặc biệt được ghi chú ở những nơi thích hợp.
Phân tích động lực học rõ ràng được sử dụng để xác định phản ứng động của cấu trúc trước sự lan truyền sóng ứng suất và các tác động thay đổi nhanh chóng theo thời gian Trao đổi động lượng giữa các cơ thể chuyển động và hiệu ứng quán tính là các yếu tố quan trọng trong loại phân tích này Nó cũng có thể mô hình hóa các hiện tượng cơ học phi tuyến cao, xuất phát từ vật liệu như hyperelasticity, chảy nhựa và hỏng, cũng như từ tiếp xúc và biến dạng hình học Các sự kiện với thang đo thời gian dưới 1 giây, thường là khoảng 1 mili giây, được mô phỏng hiệu quả bằng phương pháp này, trong khi các sự kiện thời gian dài hơn nên sử dụng hệ thống phân tích thoáng qua.
Bước thời gian trong phân tích động lực học bị giới hạn để đảm bảo tính ổn định và nhất quán theo điều kiện CFL, với thời gian tăng tỷ lệ thuận với kích thước phần tử nhỏ nhất và tỷ lệ nghịch với tốc độ âm thanh trong vật liệu Thời gian thường tăng theo thứ tự 1 micro giây, dẫn đến việc cần hàng ngàn bước thời gian (chu kỳ tính toán) để đạt được giải pháp.
Phân tích động lực học rõ ràng thường bao gồm nhiều loại phi tuyến khác nhau như biến dạng lớn, độ dẻo, cường độ cao và sự cố vật liệu Các chủ đề này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng các nguyên lý cơ học trong các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau.
Phân tích động lực học có thể bao gồm cả cơ thể cứng nhắc và linh hoạt Đối với các mô phỏng liên quan đến cơ chế và khớp, bạn nên xem xét sử dụng tùy chọn Phân tích cấu trúc thoáng qua hoặc Phân tích động lực học cứng nhắc để đạt được kết quả chính xác.
Hình 3.1 Lưu đồ phân tích động lực học va chạm trong ANSYS
Chọn mô đun Explicit Dynamics từ hộp công cụ Analysis Systems
Hình 3.2 Chọn mô đun Explicit Dynamic
Click chuột phải lên Geometry cell và chọn Import a Geometry
Chọn Model cell để mở Mechanical application editor Định nghĩa sự tương tác giữa các vật rắn (Body Interactions)
Hình 3.3 Định nghĩa sự tương tác giữa các vật rắn
Hình 3.4 Lưới phần tử trong bài toán va chạm Định nghĩa các điều kiện biên như ràng buộc vận tốc, gia tốc, tải lực, ràng buộc chuyển vị
Hình 3.5 Thiết lập điều kiện biên
Thiết lập các thông số phân tích để mô phỏng bài toán va chạm
Hình 3.6 Các thông số phân tích
Hình 3.8 Kết quả ứng suất trong quá trình va chạm
Mô hình mô phỏng
Trong luận văn này, mô hình va chạm giữa trụ cầu và xà lan được tham khảo từ
Cầu Jiujiang tại Trung Quốc có các trụ cầu vuông kích thước 3,1m x 3,1m và cao 15m, chịu tải trọng tượng trưng cho phần cầu lên đến 130 tấn Sà lan được đặt cách trụ cầu 0,49m, giả định không có gia tốc tác động.
Sà lan thông thường có cấu trúc đơn giản, linh hoạt và có khả năng chứa nhiều tải trọng Chúng thường được di chuyển bằng cách đẩy hoặc kéo bởi một loại tàu, với vận tốc di chuyển đạt 4,11 m/s.
Hình 3.9 Sà lan chở hàng trên sông
Sà lan JH là loại sà lan phổ biến nhất theo AASHTO, được sử dụng rộng rãi trong các thủy vực ở Mỹ Điều này không chỉ giữ được tính tổng quát mà còn khiến nó trở thành mô hình cơ sở trong các nghiên cứu hiện nay Các tham số tương ứng với sà lan JH được trình bày trong bảng 3, với thông số kích thước được tham khảo từ bảng thông số kỹ thuật của AASHTO.
Hình 3.10 Kích thước của sà lan JH
Bảng 3.1 Thông số kích thước sà lan
HL (chiều cao đầu mũi) 6
DV ( độ sau thùng chứa) 4
Sà lan được chế tạo từ thép tấm và thép hình, với cấu trúc khung dàn bên trong và lớp vỏ bên ngoài bằng thép tấm có độ dày từ 0,01 đến 0,013 Thép tấm được gia cố bởi thép hình để tăng cường độ cứng và độ bền Loại thép A36, mặc dù có độ bền cao, thường được sử dụng trong công nghệ đóng tàu cho các hoạt động trên biển và sông lớn Nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng trụ cầu bê tông cốt thép khi sà lan va chạm cho thấy rằng vật liệu thép và bê tông là phi tuyến Trụ cầu có độ sâu 50 mm với các cốt thép dọc đường kính 30 mm được bố trí cách nhau 300 mm ở bốn mặt, cùng với các cốt đai đường kính 20 mm cách nhau 200 mm dọc theo chiều cao Mô hình trụ cầu được minh họa trong hình 3.11, trong đó a là chiều rộng và c là chiều dày lớp vỏ bê tông.
Hình 3.11 Cầu Jiujiang tại Trung Quốc [1] sau tai nạn va chạm xảy ra
Hình 3.12 Sơ đồ bố trí bê tông cốt thép trong trụ cầu
Bảng 3.2 Thông số vật liệu
VẬT LIỆU THÔNG SỐ VẬT LIỆU GIÁ TRỊ
Hình 3.13 Chọn công cụ xây dựng hình học
Vào New Design Modeler Geometry để thiết lập mô hình
Hình 3.14 Tạo mới hình học trụ cầu
Vẽ trên mặt phằng x0z hình chữ nhật có kích thước 3100mm x 15000mm
Hình 3.15 Chọn các kích thước hai chiều
Extrude hình chữ nhật có bề dày 3100mm , ta có được trụ bê tông
Hình 3.16 Tạo khối chữ nhật
Chọn mặt phẳng cách mặt ngoài 1 khoảng 50mm, trên mặt phẳng đó ta vẽ đường thẳng cách cạnh 50mm, ta có 1 cốt dọc
Hình 3.17 Tạo đường thẳng trong khối chữ nhật để mô hình cốt thép
Tạo line từ sketch vừa vẽ và tạo bánh kính cho line là 15mm
Hình 3.18 Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép
Dùng lệnh Pattern để copy cốt dọc trên các mặt của khối
Hình 3.19 Tạo nhiều cốt dọc bằng lệnh copy
Để thực hiện việc tạo cốt đai, chúng ta vẽ một sketch hình chữ nhật trên mặt phẳng cách mặt đầu của khối 100mm, đảm bảo rằng các cạnh của sketch cách các cạnh hình vuông 50mm.
Hình 3.20 Tạo các cốt đai
Dùng lệnh Pattern để copy line body vừa tạo dọc theo chiều dài của khối Ta được cốt đai
Hình 3.21 Tạo nhiều cốt đai bằng lệnh copy
Vẽ 1 khối trên đầu trụ để tượng trưng cho thân cầu Khối này có kích thước 3500mm x 3300mm
Hình 3.22 Tạo vật thể đặc trưng cho khối lượng tác động lên đỉnh trụ cầu
Hình 3.23 Thiết lập khối lượng
Tạo 1 phane offset Z -6850mm Trên plane tạo sketch sà lan có kích thước như thông số
Hình 3.24 Xác định các kích thước hình học của sà lan trên hình chiếu bằng
Extrude tạo bề dày cho sà lan là 10600mm
Hình 3.25 Tạo mô hình sà lan ba chiều
3.2.4 Nhập các thông số phân tích
Sau khi hoàn thành vẽ mô hình ta qua phần model để nhập các thông số Nhập hệ số ma sát cho bài toán Ta vào body interaction
Hình 3.26 Thiết lập sự tương tác giữa các vật rắn
Hình 3.27 Thiết lập các thông số tương tác như hệ số ma sát
Kích thước lưới của mô hình là 200 mm
Hình 3.28 Chia lưới mô hình
3.2.6 Thiết lập điều kiện biên
Việc lựa chọn thân trụ để gắn cốt thép không ảnh hưởng đến điều kiện tiếp xúc Mặc dù bỏ qua thân trụ cao 15m và bệ trụ, nhưng thân trụ với chiều cao Hm vẫn đảm bảo liên kết với các chi tiết bên dưới Chúng ta giả định rằng mặt bên dưới của thân trụ được ngàm theo các phương chuyển vị và góc xoay.
Chia lưới cho mô hình với element size = 200mm Đặt gia tốc trong trường g = 9,81 m/s 2
Hình 3.29 Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường Điều kiện biên chuyển vị: ngàm mặt đáy của trụ
Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị Đặt vận tốc cho sà lan v = 4,11m/s theo hường 90 0
Hình 3.31 Thiết lập điều kiện biên vận tốc
Hình 3.32 Thiết lập các thông số phân tích
Sau khi nhập các thông số , nhấn solve để giải , xuất ra 2 kết quả là chuyển vị tổng và ứng suất
Hình 3.33 Chọn các kết quả chuyển vị cần xuất ra
Hình 3.34 Chọn các kết quả ứng suất cần xuất ra
Hình 3.35 Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,13s
Hình 3.36 Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,2s
Hình 3.37 Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,26s
Hình 3.38 Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,3s
Hình 3.39 Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,13s
Hình 3.40 Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,2s
Hình 3.41 Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,26s
Hình 3.42 Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,3s
Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian
Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian
Hình 3.41 cho thấy thân trụ có khả năng chịu kéo tốt khi được gắn cốt thép Tuy nhiên, vật liệu bê tông có thể nứt nghiêm trọng và dễ bị gãy khi chịu tác động trong thời gian dài Điều này ảnh hưởng đến các thanh thép khi lớp bê tông bảo vệ vượt quá giá trị bền.
Kết cấu sà lan, theo nghiên cứu của [1], là dạng tấm vỏ được gia cố bằng khung thép, chịu ứng suất lớn khi va chạm, chủ yếu tập trung ở hai bên mép thành trụ cầu do mũi sà lan bị biến dạng Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã đơn giản hóa kết cấu sà lan bằng cách sử dụng các phần tử khối, làm cho mũi sà lan cứng hơn thực tế Kết quả mô phỏng cho thấy ứng suất tương đương không chỉ tập trung ở hai bên mép thành trụ cầu mà còn trên mặt của trụ cầu Kết quả này tương đồng với nghiên cứu tham khảo từ [1], với các phần tử bị phá hủy tại vùng ứng suất lớn được thể hiện bằng những chấm đỏ, mô tả đường nứt gãy của trụ cầu.
Kết quả tham khảo từ [1] Kết quả luận văn
Hình 3.45 So sánh kết quả tham khảo từ [1] và kết quả tính toán
Tóm tắt chương 3
Mô hình va chạm được xây dựng trên mô đun Explicit dynamic
Do sà lan với tải trọng lớn và vận tốc lớn nên khi va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ
Trong 0,3 s, trụ cầu đã bị vỡ phần bê tông ngoài và phần thép bên trong cũng chuyển vị tương đối lớn
Kết quả thực tế cho thấy rằng trụ bê tông cốt thép hiện tại vẫn chưa đạt được độ bền cần thiết để chịu đựng va chạm mạnh từ sà lan.