Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Giới thiệu đề tàiBê tông cốt thép đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng trongxây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân như trong xây dựng dândụng, công ngh

TỔNG QUAN

Giới thiệu đề tài

Bê tông cốt thép đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng trong xây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu địa phương, khả năng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, ít phải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn… Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều kết cấu bê tông cốt thép như trụ cầu thường xuyên chịu sự va đập trong quá trình đưa vào sử dụng Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh [11], hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số có thể lên đến 800 tỷ đồng

Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với trụ cầu bê tông cốt thép, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm Do vậy, bài toán va chạm bê tông cốt thép đã trở thành bài toán phổ biến và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi bởi sự cần thiết trong những vấn đề dự đoán, tính toán thiệt hại của những tai nạn, từ đó giúp ta tìm được phương pháp tối ưu để giảm thiểu những thiệt hại đáng tiếc xảy ra Và các nhà khoa học đã góp phần tìm ra lời giải cho bài toán trên thông qua các lý thuyết và thuật toán khác nhau Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép khi có tác dụng của tải va chạm sẽ được tính toán mô phỏng bởi phương pháp phần tử hữu hạn, một trong những phương pháp số rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều 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.

Năm 2002, tác đã Gary R Consolazio và Ronald A Cook xuất bản bài nghiên cứu sự khả thi về va chạm giữa cầu và sà lan JH với tựa đề “Barge Impact Testing of the St George Island Causeway Bridge” Florida là một tiểu bang ở đông nam bộ của

Hợp chúng quốc Hoa Kỳ, về mặt địa lý, phần lớn lãnh thổ Florida là một bán đảo nằm giữa vịnh Mexico, Đại Tây Dương, và eo biển Florida Để thuận tiện cho việc di chuyển cây cầu “Saint George Island Causeway Bridge” được xây dựng vào năm

2002, cầu được thiết kế bởi đại học Florida Nhận thấy được tầm quan trọng của cây cầu nên hai tác giả đã tiến hành tính toán va chạm giữa trụ cầu với sà lan JH.

Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái Đối với khu vực thành phố

Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu

Bình Lợi và cầu Ghềnh, hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầuGhềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số có thể lên đến 800 tỷ đồng.

Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với cầu, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm Ở nước ta, đã có nhiều bài nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu trước các hiện tượng va chạm, nhưng còn mặt nhiều hạn chế để đưa vào áp dụng.

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 (từ gốc tiếng Pháp là Chaland) là một thuyền có đáy bằng, một phương tiện dùng để chở các hàng hoá nặng di chuyển chủ yếu ở các con kênh hoặc các con sông Hiện nay, có hai loại Sà lan:

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 không còn xa lạ đối với mọi người, với các doanh nghiệp Cùng sự phát triển của đất nước thì nhu cầu vận chuyển ngày càng nhiều, không chỉ bằng đường bộ mà đường thuỷ và hàng không cũng đang được mở rộng Đối với khu vực phía Nam của nước ta, Đồng Bằng Sông Cửu Long được thiên nhiên ưu đãi về hệ thống sông ngòi, điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển mô hình giao thông đường thuỷ Trong nhiều loại phương tiện đường thuỷ, sà lan đang được sử dụng nhiều vì có khả năng đáp ứng vận chuyển an toàn hàng hoá với quy mô lớn, đảm bảo chất lượng hàng hoá sau khi xuất xưởng đến nơi tiêu thụ, giảm hao hụt mất mát, giảm thiểu rủi ro, rút ngắn thời gian lưu thông hàng hoá, giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh của Doanh nghiệp Ngoài ra về mặt xã hội vận tải bằng sà lan còn góp phần giảm ách tắc giao thông đường bộ, tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng giao thông đường bộ.

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 một phương tiện nổi nối liền hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di chuyển giữa các vị trí được dễ dàng Ngoài ra, cầu là một công trình giao thông được bắt qua các chướng ngại nước như: dòng sông, hồ, biển, thung lũng, đường bộ, đường sắt,… đảm bảo cho giao thông được liên tục Ngày nay, các loại cầu đã được cải tiến và phát triển để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống Độ khó trong xây dựng cầu nằm tại kết cấu, nên việc thiết kế kết cấu cầu vẫn chủ yếu do các kỹ sư xây dựng thực hiện mà ít có đóng góp của kiến trúc sư.

Hình 1.3 Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp [nguồn: internet]

Cấu tạo của một cây cầu thường là: kết cấu nhịp, mố cầu, trụ cầu, móng cầu, gối cầu, phụ kiện, Tuy nhiên trong đề tài này chỉ xét đối tượng trụ cầu.

Hình 1.4 Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet]

Các thành phần cơ bản của cây cầu

Bộ phận giữa hai mố cầu để cho kết cấu nhịp tựa lên gọi là trụ cầu Do nhiều yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nên chiều dài kết cấu nhịp không thể quá dài Để vượt được khoảng cách lớn yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian đó là trụ cầu, trụ cầu truyền tải từ kết cấu nhịp xuống móng công trình Đối với loại cầu dây văng hoặc cầu treo thì trụ cầu thường được làm cao hẳn hơn bản mặt cầu, để treo, neo dây cáp chịu lực, gọi là trụ tháp.

Trụ cầu có tác dụng phân chia nhịp, truyền phản lực gối từ hai đầu kết cấu nhịp, hình dáng trụ cầu đối xứng theo phương dọc và ngang cầu Ngoài ra chúng phải đảm bảo các yêu cầu về: mỹ quan, va xô tàu thuyền, tác động của dòng chảy,… Trụ cầu thường có hai dạng chính:

Trụ dẻo thường sẽ có hai dạng: cột, cọc.

Trụ cứng: trụ toàn khối, trụ lắp ghép.

Trụ cứng là đối tượng của cây cầu được phân tích trong bài Trụ cứng gồm ba bộ phận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ Trên những sông có dòng nuớc chảy xiết hoặc có khả năng va đập của tàu bè, cây trôi,… chúng ta có thể lắp đặt bộ phận chống va xô cho trụ Một số dạng trụ cứng thường gặp: 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

Tránh va bằng cách đặt toàn bộ kết cấu cầu trên bờ: Cách an toàn nhất để bảo vệ trụ cầu khỏi va chạm tàu là đặt chúng lên trên bờ Bằng cách này, chi phí phụ trội do việc tăng chiều dài nhịp cầu có thể được tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc không phải dùng cho việc chi trả chi phí xây dựng công trình bảo vệ Trong trường hợp cầu dạng vòm, phần vòm của cầu cần phải tránh ra vùng có thể bị tác động Hình 3.1 và

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]

Bờn cạnh cầu Tjửrn, trờn thế giới cú rất nhiều cầu cũng ỏp dụng cỏch này để hạn chế va chạm với phương tiện thủy như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc, cầu Stonecutter ở Hồng Kong…

Làm chệch hướng tàu bằng đảo nhân tạo hoặc kết cấu dẫn hướng: Với những vùng nước quá rộng để cầu có thể bắc qua mà không sử dụng trụ cầu trên kênh hành hải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo này Ưu điểm của phương pháp này là cho độ an toàn cao và cho phép dừng phương tiện thủy một cách từ từ, do đó hạn chế được gia tăng thiệt hại đối với vỏ tàu Để bảo vệ khỏi ăn mòn, loại đảo này thực sự không yêu cầu duy tu mà chỉ đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm một lượng nhỏ sau va chạm Việc sử dụng loại này thường bị hạn chế tới mức nó có thể không làm giảm mặt cắt ướt của dòng chảy dẫn tới tốc độ dòng chảy tăng lên một cách nguy hiểm.

Hình 1.7 Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ [nguồn: internet]

Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ là công trình tiêu biểu sử dụng đảo nhân tạo để bảo vệ trụ cầu Trong Hình 1.7, hai cây cầu này được thiết kế với một trụ cầu được đặt trên bờ, đảo nhân tạo được xây dựng phục vụ cho trụ còn lại được đặt 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 dùng để khắc phục những nơi yếu hay cải thiện gia cường kết cấu, từ đó tính toán giảm chi phí, tăng tuổi thọ cho công trình.

Mục tiêu và phạm vi của đề tài

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh mô phỏng quá trình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, có xét đến hiện tượng phá hủy của bê tông được lựa chọn và xác định các vùng phá hủy của kết cấu sau khi va chạm Trong đó, vật liệu bê tông và cốt thép của trụ cầu xét trong miền đàn hồi đẳng hướng, bỏ qua sự tương tác trụ cầu vớiđất.

Tóm tắt chương 1

Nghiên cứu va chạm giữa sà lan và trụ cầu bê tông là rất cần thiết bởi nhu cầu vận chuyển hàng hóa cao nên sà lan có trọng tải càng lớn, khi va chạm với trụ cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ cầu gây 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 một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có tính chất cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế.

Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) và chất kết dính (xi măng, nước ) Bê tông có khả năng chịu nén tốt, khả năng chịu kéo rất kém.

Thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt Do vậy người ta thường đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Từ đó sản sinh ra kết cấu bê tông cốt thép.

Hình 2.1 Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép [nguồn: internet]

Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo tốt của thép Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay sức kháng uốn lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông có cùng kích thước.

Cốt thép chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịu kéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện và chịu lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên.

Bê tông và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do :

Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có lực dính bám khá lớn nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược lại Lực bám dính có tầm rất quan trọng đối với BTCT.

Nhờ có lực bám dính mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy người ta phảo tìm mọi cách để tăng cường lực bám dính giữa bê tông và cốt thép.

Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học, bê tông còn bảo vệ cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mòn của môi trường.

Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường ( dưới 100 o C), ứng suất xuất hiện không đáng kể, không làm phá hoại 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 đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép để: chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác Số lượng do tính toán định ra nhưng cũng phải thoả mãn các yêu cầu 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 mômen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ mô men, đặt càng xa trục trung hoà càng tốt.

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 phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt.

Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt kép Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn

2.1.2.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực

Trong cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực gồm hai loại cốt thép: Cốt thép thường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép dự ứng lực (cốt thép kéo căng ) Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường.

Cốt thép dự ứng lực có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tông Cốt thép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng hoặc đường cong hoặc thẳng và cong.

Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam

Để đánh giá được cường độ bê tông cần phải hiểu đúng các khái niệm về cường độ bê tông theo các tiêu chuẩn thiết kế Một số vấn đề về cường độ bê tông áp dụng trong tính toán kết cấu theo TCXDVN 5574-2012 được trình bày trong [10] Đối với bê tông, chủ yếu quan tâm đến cường độ chịu nén (chú thích: có thể do thí nghiệm đánh giá cường độ chịu nén dễ thực hiện và cho kết quả tin cậy hơn so với thí nghiệm đánh giá các đặc trưng khác như kéo.

Cường độ bê tông tại thời điểm nén trước R bp (được kiểm soát như đối với cấp độ bền chịu nén) chỉ định không nhỏ hơn 11 MPa, còn khi dùng thép thanh nhóm A-VI,AT-VI, AT-VIK và AT-VII, thép sợi cường độ cao không có neo và thép cáp thì cần chỉ định không nhỏ hơn 15,5 MPa Ngoài ra, Rbp không được nhỏ hơn 50 % cấp độ bền chịu nén của bê tông Đối với các kết cấu được tính toán 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, giá trị cấp bê tông tối thiểu cho trong Bảng 2.1 phải tăng lên một bậc (5 MPa) tương ứng với việc tăng cường độ của bê tông khi bắt đầu chịu ứng lực trước Khi thiết kế các dạng kết cấu riêng, cho phép giảm cấp bê tông tối thiểu xuống một bậc là 5 MPa so với các giá trị cho trong Bảng 10, đồng thời với việc giảm cường độ của 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

Các cường độ tính toán của bê tông khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất R b , R bt và theo các trạng thái giới hạn thứ hai R b,ser , R bt,ser được xác định bằng cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê tông tương ứng khi nén γ bc và khi kéo γ bt Các giá trị của hệ số γ bc và γ bt của một số loại bê tông chính cho trong Bảng 2.2.

Bảng 2.2 Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γ bc và khi kéo γ bt

Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi kéo dọc trục Rbtn (cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông) trong những trường hợp độ bền chịu kéo của bê tông không được kiểm soát trong quá trình sản xuất được xác định tùy thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông cho trong Bảng 2.3 Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi kéo dọc trục R btn (cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của bê tông) trong những trường hợp độ bền chịu kéo của bê tông được kiểm soát trong quá trình sản xuất được lấy bằng cấp độ bền chịu kéo với xác xuất đảm bảo.

Bảng 2.3 Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông Rbn , Rbtn và cường độ tính toán của bê tông khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai

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 được sử dụng để mô hình khối bê tông là phần tử Solid65 trong chương trình ANSYS Đây là phần tử đăc biệt được dùng để mô hình cho vật liệu bê tông.

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

S- Bề mặt phá hủy được xác định từ 5 thông số f t , f c , f cb , f1, f2

Bảng 2.4 Các thông số đầu vào

Ft Độ bền kéo cuối cùng cực đại 3

Fc Độ bền nén cực đại 4

Fcb Cường độ nén cực đạị 5

Trạng thái ứng suất thủy tĩnh xung quanh 6 f1 Độ bền nén cực đại đối với trạng thái nén nén hai chiều chồng lên trạng thái ứng suất thủy tĩnh 7 f2

Sức ép nén cực đại cho trạng thái đơn trục nén nhấn trên trạng thái ứng suất thủy tĩnh 8

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: f cb

Tuy nhiên, các giá trị mặc định này chỉ có giá trị đối với các trạng thái khi điều kiện:

Do đó điều kiện Phương trình 1.6 áp dụng cho các tình huống với thành phần ứng suất thuỷ tĩnh thấp Tất cả năm thông số hỏng hóc cần được chỉ định khi một thành phần ứng suất thuỷ tĩnh lớn Nếu điều kiện Phương trình 1.6 không thỏa mãn và các giá trị mặc định được biểu diễn trong công thức 1.3 qua công thức 1.5 được giả định, cường độ của vật liệu bê tông có thể được đánh giá không chính xác Khi khả năng nghiền bị giảm bằng fc = -1.0, vật liệu sẽ nứt bất cứ khi nào 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 σ 1 , σ 2 , và σ 3 trong đó:

1 2 3 Sự phá hủy cảu bê tông được chia làm 4 trường hợp:

1 2 3(nén - nén - nén) trong trường hợp này F có dạng:

Chức năng r 2 được tính bằng cách điều chỉnh b 0 , b 1 kiện:

2 0 0 1 0 2 0 tỷ lệ r 1 / r 2 bị giới hạn trong phạm vi:

Mặc dù giới hạn trên không được coi là hạn chế vì (2.11)

(2.12) r 1 đối với hầu hết các

2 vật liệu Ngoài ra, các hệ số a 0 , a 1 , a 2 , b 0 , b 1 và b 2 phải đáp ứng các điều kiện: a 0, a

Do đó, bề mặt bị hỏng được đóng lại và dự báo phá hủy do áp suất thủy tĩnh cao (ξ> ξ2) Sự phá hủy của bề mặt không được kiểm chứng thực nghiệm Do đó, các giá trị của f1 và f2 được lựa chọn ở mức áp lực thủy tĩnh trong vùng lân cận hoặc cao hơn áp suất thủy tĩnh cực đại mong đợi gặp phải 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:

(2.16) phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ1 và σ2 Nếu tiêu chuẩn phá mãn với i = 1, sự nứt xảy ra chỉ ở mặt phẳng vuông góc với áp suất chính hủy chỉ thỏa 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, sự nứt xảy ra ở các mặt phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ 1 , σ 2 , và σ 3 Nếu tiêu chuẩn phá hủy được thỏa mãn trong hướng 1 và 2, sự nứt xảy ra ở mặt phẳng vuông góc với các ứng suất chính σ 1 và σ 2

Nếu tiêu chuẩn phá hủy chỉ thỏa mãn trong hướng 1, sự nứt xảy ra ở mặt phẳng vuông góc với áp suất chính σ 1

Lực va chạm

Nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực va chạm tàu được thực hiện bởi Minorsky dựa trên kết quả thực nghiệm của 26 vụ va chạm trực tiếp giữa hai tàu thủy vào năm

1958 Hình 8 cho thấy quan hệ tuyến tính giữa lượng biến dạng của thép trên cả hai tàu và năng lượng bị hấp thu Tuy nhiên, lực va chạm này chỉ được dùng cho va chạm giữa hai tàu. Đối với bảo vệ trụ cầu, va chạm trực diện của tàu với tường cứng dựa trên kết quả nghiên cứu của Woisin đã được đưa ra Theo đó, Woisin phát triển mối quan hệ động lực học giữa lực va chạm theo thời gian với lực lớn nhất trong khoảng 0,1 đến0,2 giây từ lúc bắt đầu va chạm gấp khoảng hai lần lực va trung bình sau vài giây.

Hình 2.7 Thí nghiệm va chạm của Woisin [4]

Hình 2.8 Lực va chạm theo thời gian đề xuất bởi Woisin [4]

Từ kết quả thí nghiệm của Woisin, tác giả kết luận rằng lực va tĩnh của một tàu lớn với tường cứng tỉ lệ với căn bậc hai của tấn trọng tải (DWT) của tàu Tuy nhiên, trong quan hệ này, một khoảng phân bố rộng của lực va cho các tàu có cùng DWT dựa theo các dạng kết cấu vỏ tàu và vận tốc va chạm Từ đó, Svensson đề xuất công thức tính lực va với độ phân tán ±50%.

Công thức này được Svensson đưa ra vào năm 1981 và được nghiên cứu và đề xuất trong tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu cao tốc về va chạm tàu của AASHTO Theo đó, quan hệ giữa phân bố của lực va trong nghiên cứu của Woisin kết hợp với đề xuất ±50% của Svensson được đưa ra Giản lược phân bố rộng của lực va tính toán của

Woisin bằng cách sử dụng đường phân chia 70% giá trị trung bình của lực va tàu để tính lực phản hồi của cầu và ước tính các thành phần để chống lại lực va chạm Đường 70% này dẫn đến sự tăng hệ số phân tính của đề xuất ±50% của Svensson từ 0,88 lên 0,98 Bên cạnh đó, Woisin cũng đề xuất thêm vào một hệ số ứng với đa dạng các vận tốc.

(2.18) 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]

Tuy nhiên, lực va tối đa ước tính gấp đôi lực trung bình như trong hình 2.6,không được đề xuất trong chỉ dẫn kĩ thuật của AASHTO vì nó được xem xét trong khoảng thời gian quá ngắn từ lúc bắt đầu va chạm để có thể gây ra những vấn đề lớn cho hầu hết các kết cấu Lực va trung bình theo thời gian tăng lên tới 70% mức phân tách để đảm bảo chắc chắn khi phân tích.

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 của tiêu chuẩn châu Âu này cho kết quả cao hơn một chút so với giá trị đưa ra bởi tiêu chuẩn AASHTO Ngoài ra, theo Svensson còn có một số phương pháp để xác định lực va chạm như 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 khi chịu sự tác động sẽ tồn tại trạng thái biến dạng (tức là xét về mặt hình học) và trạng thái ứng suất (tức là xét về mặt tĩnh học) Chúng ta sẽ tìm hiểu về mối quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng, đồng nghĩa với việc chúng ta sẽ xem xét đến 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 dịnh hệ số Poison bằng thực nghiệm khó hơn việc xác định moodun đàn hồi trượt (G) từ thí nghiệm xoắn Nên thường tìm G thí nghiệm xoắn Nên thường tìm

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 thực tế kỹ thuật ngoài các vật liệu đẳng hướng (isotropic) người ta còn sử dụng các loại vật liệu không đẳng hướng (anisotropic) như cốt thép, gỗ, các vậy liệu composite,…Khi đó khác với vật liệu đẳng hướng, các tính chất của vật liệu không đẳng hướng tại một điểm theo các phương khác nhau là khác nhau Định luật Hooke tổng quát mô tả quan hệ tuyến tính giữa biến dạng và ứng suất có dạng

Trong ma trận các hệ số đàn hồi [C] là đối xứng và có 21 hằng số độc lập Các chỉ số 1, 2, 3 được dùng thay thế tương ứng các chỉ số x, y, z Đối với vật liệu trực hướng (orthotropic), số hằng số độc lập của ma trận [C] rút xuống còn 9.

E 1 , E 2 , E 3 là môđun đàn hồi trong các mặt phẳng được xác định tương ứng bởi các trục 1, 2 hay 3 (hoặc x, y, z).

G 12 , G 23 , G 31 là các môđun đàn hồi trượt trong các mặt phẳng 12, 23 và 31.

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

Hiện tượng mà có giá trị ứng suất chảy gia tăng với sự gia tăng của biến dạng dẻo được gọi là biến cứng hay tái bền của vật liệu Quy luật biến cứng đối với vật liệu có ứng xử dẻo được miêu tả như sau:

Hai loại biến cứng thường gặp là biến cứng đẳng hướng và quy luật biến cứng động học Phân bố của quy luật biến cứng đẳng hướng và động học phụ thuộc vào sự điều chỉnh của thông số biến cứng β (bằng 0 khi biến cứng động học và bằng 1 khi biến cứng đẳng hướng) Tốc độ biến dạng được tính dùng theo mô hình Cowper-

Symonds, công thức được miêu tả như sau:

Trong đó: là ứng suất, Pa.

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 là biến dạng dẻo dự đoán.

E t là moodun tiếp tuyến, Pa

2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán động lực học tường minh

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 xảy ra với thời gian ngắn và chúng thường thuộc các bài toán động lực học phi tuyến PPPTHH trong bài toán động lực học (Explicit dynamic) được sử dụng rộng rãi trong các trường hợp tương tác va chạm và phương này ngày càng được cải tiến nhằm giải quyết tốt các bài toán tiếp xúc ở phạm vi lớn Phần mềm thương mại LS-DYNA, hiện đang sử dụng phương pháp này với giải thuật lặp theo phương pháp Newton-Raphson.

Trên thực tế hầu như các hiện tượng điều xảy ra với dạng phi tuyến, hai dạng phi tuyến phổ biến là phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu Đặc biệt trong hiện tượng va chạm, phi tuyến về hình học và vật liệu là rất quan trọng Sự va chạm đột ngột làm cho hình học và vật liệu biến đổi phức tạp, hình học từ dạng đơn giản (đường thẳng) biến đổi thành dạng đường cong phi tuyến Vật liệu cũng vậy, có thể chuyển nhanh chóng từ miền đàn hồi tuyến tính sang miền chảy dẻo và phá huỷ Do đó phương trình

(2.30) có thể tuyến tính hoặc phi tuyến tuỳ thuộc vào đối tượng bài toán, trong hiện tượng va chạm hầu như sẽ biến phương trình này thành dạng phi tuyến.

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, phương trình chủ đạo (2.32) là phương trình phi tuyến của biến dạng, và do đó, là hàm phi tuyến của chuyển vị nút, {U} Các phương pháp lặp thường được sử dụng để giải phương trình cho {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 Ở bước thứ (m+1), tải được biểu diễn như sau: m 1 m m 1

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 m 1 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: m 1 R m 1 F (2.37)

Có nhiều giải thuật tồn tại để trong số đó là phương pháp Newton hạn. giải các phương trình đồng thời phi tuyến Một được sử dụng rộng rãi trong tính toán phần tử hữu

Khảo sát ứng suất là hàm phi tuyến của chuyển vị U m 1

Phương trình này là phương trình ma trận phi tuyến theo chuyển vị

Chúng thể hiện được sự cân bằng của ngoại lực ( m 1 F

( m 1 R ) , do đó phương pháp lặp được dùng để giải phương này (2.40) được gọi là phương pháp lặp cân bằng Sau đây chúng ta sẽ đề cặp đến phương pháp Newton-Raphson:

Khi thu được lời giải xấp xỉ của bước lặp thứ (i-1), m 1 U ( i 1)

, cho chuyển vị m 1 U Khai triển chuỗiTaylorcho m 1 U ở m 1 U ( i 1) và bỏ qua các số hạng bậc cao, chúng ta thu được m 1 ( i 1)

U m 1 ( i 1) là ma trận độ cứng đàn-dẻo tương ứng với chuyển vị m 1 ( i 1)

( i 1) là ma trận độ cứng tiếp tuyến của kết cấu Chúng ta thu được sơ đồ lặp của giải thuật Newton-Raphson m 1 K ( i 1) U i m 1 F m 1 R ( i 1) (2.46) m 1

Bước lặp này tiếp tục cho đến khi tiêu chuẩn hội thích hợp được thoả, phương pháp Newton-Raphson có tốc độ hội tụ cao Tuy nhiên, chú ý ma trận độ cứng tiếp tuyến ( m 1 K i 1 ) được tìm thừa số ở mỗi bước lặp, phép toán như thế có thể quá nhiều khi hệ thống khảo sát lớn Hơn nữa, đối với chảy dẻo lý tưởng hay vật liệu biến mềm, ma trận độ cứng tiếp tuyến có thể trở nên suy biến và điều này có thể gây khó khăn trong quy trình tính lặp Do đó, hai phương pháp Newton còn lại được sử dụng khi phương pháp này suy biến lần lượt là phương pháp Newton-Raphson hiệu chỉnh và phương pháp tựa Newton.

Va chạm là một hiện tượng thường gặp trong đời sống và trong kỹ thuật Ngày trước bài toán va chạm có thể giải bằng các định luật bảo toàn, những năm gần đây một số phương pháp số đã phát triển rất tốt để giải quyết các bài toán va chạm thực tế.

Trong số đó có FEM là phương pháp được sử dụng rộng rãi, chúng còn được các phần mềm thương mại tính toán và mô phỏng chuyên dùng như: ANSYS, ABAQUS,… trụ cầu đơn Hình học và tính chất vật liệu của hai đối tượng vừa nêu có mức độ phức tạpTrong chương 2, tác giả đã trình bày các vấn đề lý thuyết chính yếu để áp dụng cho bài toán mô phỏng như

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 các sự cố trong cơ sở dữ liệu đang áp dụng bởi Explicip Dynamic Ngoài ra, hệ thống Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) có sẵn để xuất mô hình ở định dạng tệp LS-DYNA để phân tích tiếp theo với bộ giải LS-DYNA Trừ khi được đề cập cụ thể khác, phần này đề cập đến cả hệ thống Động lực học rõ ràng và Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) Các điều kiện đặc biệt cho hệ thống Động lực học rõ ràng (LS-DYNA Export) được ghi chú ở nơi thích hợp.

Một phân tích động lực học rõ ràng được sử dụng để xác định phản ứng động của một cấu trúc do sự lan truyền sóng ứng suất, tác động hoặc thay đổi nhanh chóng phụ thuộc vào thời gian Trao đổi động lượng giữa các cơ thể chuyển động và hiệu ứng quán tính thường là các khía cạnh quan trọng của loại phân tích được tiến hành Kiểu phân tích này cũng có thể được sử dụng để mô hình các hiện tượng cơ học có tính phi tuyến cao Các phi tuyến có thể xuất phát từ các vật liệu, (ví dụ, hyperelasticity, chảy nhựa, hỏng), từ tiếp xúc (ví dụ, va chạm và va chạm tốc độ cao) và từ biến dạng hình học (ví dụ, xô lệch và sụp đổ) Các sự kiện có thang đo thời gian dưới 1 giây (thường là thứ tự 1 mili giây) được mô phỏng hiệu quả với loại phân tích này Đối với các sự kiện thời gian dài hơn, hãy xem xét sử dụng hệ thống phân tích thoáng qua.

Bước thời gian được sử dụng trong phân tích động lực học rõ ràng bị hạn chế để duy trì tính ổn định và tính nhất quán thông qua điều kiện CFL, nghĩa là, thời gian tăng tỷ lệ thuận với kích thước phần tử nhỏ nhất trong mô hình và tỷ lệ nghịch với tốc độ âm thanh trong vật liệu được sử dụng Gia tăng thời gian thường theo thứ tự 1 micro giây và do đó, hàng ngàn bước thời gian (chu kỳ tính toán) thường được yêu cầu để có được giải pháp.

Một phân tích động lực học rõ ràng thường bao gồm nhiều loại phi tuyến khác nhau bao gồm biến dạng lớn, biến dạng lớn, độ dẻo, cường độ cao, sự cố vật liệu, v v.Phần này bao gồm các chủ đề sau:

Một phân tích động lực rõ ràng có thể chứa cả cơ thể cứng nhắc và linh hoạt Đối với các mô phỏng động lực học cơ thể cứng nhắc / linh hoạt liên quan đến các cơ chế và khớp,bạn có thể muốn xem xét sử dụng các tùy chọn Phân tích cấu trúc thoáng qua hoặc Phân tích động lực học cứng nhắc.

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

[1] Cầu Jiujiang tại Trung Quốc có cácc trụ cầu vuông có kích thước 3,1m x 3,1m và chiều cao 15m Trụ cầu chịu 1 khối lượng tượng trưng cho phần cầu là 130 tấn Sà lan cách trụ cầu 1 khoảng cách 0,49m ( để xem như không có gia tốc ).

Sà lan loại thông thường có kết cấu khá đơn giản, có sự linh hoạt và chứa được nhiều tải trọng Chúng thường được đẩy hoặc kéo bởi một loại tàu, trong đề tài xét sà lan được đẩy di chuyển với vận tốc 4,11 m/s.

Hình 3.9 Sà lan chở hàng trên sông

Theo AASHTO, sà lan JH được sử dụng rộng rãi nhất Loại sà lan ở các thủy vực của Mỹ, do đó, không làm mất tính tổng quát, nó được sử dụng như là mô hình cơ sở trong nghiên cứu hiện nay Các tham số tương ứng được đưa ra trong bảng 3.Thông số kích thước của sà lan JH được tham khảo từ bảng thông số kỹ thuật thuộc AASHTO

Hình 3.10 Kích thước của sà lan JH

Bảng 3.1 Thông số kích thước sà lan

Sà lan được cấu tạo chính từ thép tấm và thép hình Cấu trúc bên trong của chúng là khung dàn với loại thép hình, vỏ bên ngoài được bao phủ bởi loại thép tấm (bề dày từ 0,01 đến 0,013) Thép tấm được sự hỗ trợ của thép hình để tăng cứng và đảm bảo độ bền Loại thép sử dụng cho mô hình sà lan là thép A36, mặc dù thép A36 thuộc loại thép độ bền cao, chúng thường được sử trong công nghệ đóng tàu phục vụ ở biển, sông lớn. Để nghiên cứu những ảnh hưởng của biến dạng của trụ cầu bê tông cốt thép khi vị sà lan va chạm, vật liệu thép và bê tông là vật liệu phi tuyến trụ cầu là một cốt bìa có độ sâu 50 mm Các cốt thép dọc có đường kính 30 mm được đặt cách nhau 300 mm trên bốn mặt của trụ cầu Các cốt đai có đường kính 20 mm và được đặt cách nhau 200 mm dọc theo chiều cao của trụ cầu Mô hình trụ cầu được hiển thị trong hình 3.11, trong đó a là chiều rộng trụ cầu 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

Tương tự ta làm với cốt đai Ta vẽ 1 sketch hình chữ nhật lên plane cách mặt đầu của khối 100mm , sao cho các cạnh của sketch cách 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 chọn thân trụ để gắn cốt thép sẽ không làm thay đổi bước thiết lập điều kiện tiếp xúc Mặc dù bỏ qua thân trụ có chiều cao H = 15m và bệ trụ nhưng thân trụ có chiều cao Hm vẫn được đảm bảo liên kết với các chi tiết bên dưới Ở đây, chúng ta giả sử sẽ 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 3.39 Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,13s

Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian

Hình 3.44 Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian

Quan sát hình 3.41, thân trụ có khả năng chịu kéo tốt khi được gắn cốt thép Tuy nhiên, vật liệu bê tông với bước thời gian va chạm sẽ nứt một cách nghiêm trọng và có khả năng gãy trụ cầu rất lớn Các thanh thép sẽ chịu ảnh hưởng khi lớp bê tông bảo vệ vượt quá giá trị bền.

Theo [1], kết cấu sà lan là kết cấu dạng tấm vỏ và được gia cố bằng các khung thép nên khi va chạm, ứng suất tương đương tập trung nhiều ở hai bên mép thành trụ do mũi sà lan bị biến dạng lớn Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, do hạn chế về tài nguyên tính toán nên kết cấu sà lan được nhóm tác giả đơn giản hóa bằng cách sử dụng các phần tử khối, mũi sà lan cứng hơn so với thực tế nên khi va chạm, ngoài vùng ứng suất tương đương lớn ở hai bên mép thành trụ cầu, ứng suất tương đương còn tập trung nhiều trên mặt của trụ cầu Kết quả mô phỏng vùng tập trung ứng suất lớn nhất của nhóm tác giả có tương đồng với kết quả tham khảo từ [1], ở vị trí hai bên mép thành trụ cầu Các phần tử bị phá hủy tại vùng ứng suất lớn sẽ bị xóa đi và trở thành 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

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 cũng đã chỉ ra, với trụ bê tông cốt thép trên vẫn chưa đủ độ bền để chịu được sự va chạm lớn của sà lan

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	3,4 MB