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
Trang 1LÊ QUANG TRỰC
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
LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01
Long An - 2019
Trang 2LÊ QUANG TRỰC
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
LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện
Long An – 2019
Trang 3LỜI CAM ĐOAN
Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi trongluận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉđược nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàntoàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nàokhác
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tintrích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc
HỌC VIÊN THỰC HIỆN
Lê Quang Trực
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu củahọc viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Bên cạnh những nỗ lựccủa học viên, hoàn thành chương trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quantâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tếCông nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao họcnày
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích
Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền
đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt luậnvăn này
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Caohọc Xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn
HỌC VIÊN THỰC HIỆN
Lê Quang Trực
Trang 5đề xuất những phương án thiết kế hay gia cố hiệu quả.
Trang 6MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT x
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1
1.1 Giới thiệu đề tài 1
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2
1.2.1 Trên thế giới 2
1.2.2 Trong nước 2
1.3 Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu 3
1.3.1 Kết cấu sà lan 3
1.3.2 Kết cấu trụ cầu 4
1.3.3 Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu 6
1.3.4 Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của phương tiện thủy 6
1.4 Ý nghĩa của đề tài 8
1.5 Mục tiêu và phạm vi của đề tài 8
1.6 Tóm tắt chương 1 9
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10
2.1 Kết cấu bê tông cốt thép 10
2.1.1 Giới thiệu 10
2.1.2 Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép 11
2.2 Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam 13
2.3 Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông 16
2.4 Lực va chạm 21
2.5 Phương pháp phần tử hữu hạn 25
Trang 72.5.1 Quan hệ ứng suất biến dạng 25
2.5.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán động lực học tường minh (Explicit Dynamic) 29
2.6 Tóm tắt chương 2 32
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 34
3.1 Giới thiệu các mô đun của phần mềm dùng để mô phỏng 34
3.1.1 Mô đun Explicit dynamic trong ANSYS WORKBENCH 34
3.1.2 Các bước thực hiện 35
3.2 Mô hình mô phỏng 38
3.2.1 Mô tả bài toán 38
3.2.2 Thông số vật liệu 41
3.2.3 Xây dựng mô hình 42
3.2.4 Nhập các thông số phân tích 48
3.2.5 Chia lưới mô hình 49
3.2.6 Thiết lập điều kiện biên 50
3.2.7 Giải 52
3.2.8 Phân tích kết quả 53
3.2.9 So sánh kết quả 57
3.3 Tóm tắt chương 3 58
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59
4.1 Kết luận 59
4.2 Kiến nghị và hướng phát triển 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
Trang 8DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông 3
Hình 1.2 Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu 2
Hình 1.3 Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp 5
Hình 1.4 Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép 5
Hình 1.5 Cầu Tjorn, Thụy Điển 7
Hình 1.6 Cầu Tjorn cũ sau va chạm 7
Hình 1.7 Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ 8
Hình 2.1 Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép
10 Hình 2.2 Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép
12 Hình 2.3 Biểu đồ lực cắt và cách bố trí cốt đai
12 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực
13 Hình 2.5 Dạng hình học của phần tử SOLID65
16 Hình 2.6 Năng lượng va chạm theo Minorsky
21 Hình 2.7 Thí nghiệm va chạm của Woisin
22 Hình 2.8 Lực va chạm theo thời gian đề xuất bởi Woisin
22 Hình 2.9 Lực va tĩnh theo kích thước tàu
23
Trang 10Hình 3.5 Thiết lập điều kiện biên
Trang 12Hình 3.30 Thiết lập điều kiện biên chuyển vị
Trang 13Hình 3.43 Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian
Trang 14DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Qui định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước 14
Bảng 2.2 Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γbc và khi kéo γbt 15
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 Rb,ser , Rbt,ser , MPa 15
Bảng 2.4 Các thông số đầu vào 17
Bảng 3.1 Thông số kích thước sà lan 19
Bảng 3.2 Thông số vật liệu 41
Trang 15DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Trang 16CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài
Bê 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 nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn so với cácvật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu địa phương, khảnăng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, ítphải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn… Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều kết cấu bêtông cốt thép như trụ cầu thường xuyên chịu sự va đập trong quá trình đưa vào sửdụng Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiệnđường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội Trong tháng 07/2010, bachiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ BạchĐằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái Đốivới khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ vachạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh [11], hai cây cầu đều là tuyến đườngsắt quan trọng cho cả nước Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cốsập 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 thìcon số có thể lên đến 800 tỷ đồng
Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đườngthuỷ với trụ cầu bê tông cốt thép, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giaothông cho các trường hợp va chạm Do vậy, bài toán va chạm bê tông cốt thép đã trởthành bài toán phổ biến và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi bởi sự cần thiết trongnhững vấn đề dự đoán, tính toán thiệt hại của những tai nạn, từ đó giúp ta tìm đượcphương pháp tối ưu để giảm thiểu những thiệt hại đáng tiếc xảy ra Và các nhà khoahọc đã góp phần tìm ra lời giải cho bài toán trên thông qua các lý thuyết và thuật toánkhác nhau Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép khi cótác dụng của tải va chạm sẽ được tính toán mô phỏng bởi phương pháp phần tử hữu
Trang 17hạn, một trong những phương pháp số rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều bài toán
kỹ thuật phức tạp
1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.2.1 Trên thế giới
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 phươngpháp 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 câycầu nên hai tác giả đã tiến hành tính toán va chạm giữa trụ cầu với sà lan JH
1.2.2 Trong nước
Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiệnđường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội Trong tháng 07/2010, ba chiếctàu 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 cầu
Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổngthiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số
Trang 18có thể lên đến 800 tỷ đồng.
Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷvới cầu, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp vachạm Ở nước ta, đã có nhiều bài nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu trước các hiệntượng 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 xácđịnh lực va chạm và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này, từ đó tác giả đã đưa ramột 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 bèvào trụ cầu sông Hàn
1.3 Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu
1.3.1 Kết cấu sà lan
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 consông 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]
Trang 19Vận tải hàng hoá không còn xa lạ đối với mọi người, với các doanh nghiệp Cùng sựphát 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 Namcủa 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 Trongnhiều loại phương tiện đường thuỷ, sà lan đang được sử dụng nhiều vì có khả năng đápứng vận chuyển an toàn hàng hoá với quy mô lớn, đảm bảo chất lượng hàng hoá sau khixuất xưởng đến nơi tiêu thụ, giảm hao hụt mất mát, giảm thiểu rủi ro, rút ngắn thời gianlưu 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, tiếtkiệm 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
1.3.2 Kết cấu trụ cầu
Cầu là một phương tiện nổi nối liền hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc dichuyển giữa các vị trí được dễ dàng Ngoài ra, cầu là một công trình giao thông được bắtqua 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
Trang 20phát triển để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống Độ khó trong xây dựng cầu nằm tạikết 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, gốicầu, phụ kiện, Tuy nhiên trong đề tài này chỉ xét đối tượng trụ cầu
1
3
2
Hình 1.4 Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet]
Các thành phần cơ bản của cây cầu
Trang 21khoảng cách lớn yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian đó là trụ cầu, trụ cầu truyềntải từ kết cấu nhịp xuống móng công trình Đối với loại cầu dây văng hoặc cầu treo thìtrụ cầu thường được làm cao hẳn hơn bản mặt cầu, để treo, neo dây cáp chịu lực, gọi làtrụ 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 đảmbảo các yêu cầu về: mỹ quan, va xô tàu thuyền, tác động của dòng chảy,… Trụ cầuthường 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 bộphận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ Trên những sông có dòng nuớc chảy xiếthoặc 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 vàtrụ 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 doviệc tăng chiều dài nhịp cầu có thể được tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc khôngphải 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 Tjörn ở Thụy Điển chịu va chạm tàu và biện pháp khắc phục Sau
sự cố va chạm dẫn đến sập cầu, cầu mới được xây dựng có nhịp chính 366m, tăng từ
Trang 22cầu vòm ban đồ có nhịp 217m Đồng thời, khoảng tĩnh cho toàn bộ chiều dài của nhịpchính 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 Tjörn, trên thế giới có rất nhiều cầu cũng áp dụng cách này để hạnchế va chạm với phương tiện thủy như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc, cầuStonecutter 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 hànhhải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo này Ưu điểm của phương pháp này là cho độ antoàn cao và cho phép dừng phương tiện thủy một cách từ từ, do đó hạn chế được giatăng thiệt hại đối với vỏ tàu Để bảo vệ khỏi ăn mòn, loại đảo này thực sự không yêucầu duy tu mà chỉ đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm một lượng nhỏ sau va chạm Việc sử
Trang 23dụng 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 nướcnông
Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu được va chạm trực tiếp
1.4 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
1.5 Mục tiêu và phạm vi của đề tài
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh mô phỏng quátrình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, có xét đến hiện tượng phá hủy của bê tông đượclựa 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
Trang 241.6 Tóm tắt chương 1
Nghiên cứu va chạm giữa sà lan và trụ cầu bê tông là rất cần thiết bởi nhu cầuvận chuyển hàng hóa cao nên sà lan có trọng tải càng lớn, khi va chạm với trụcầu 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
Trang 25CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT)
2.1.1 Giới thiệu
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 mộtcách hợp lý và kinh tế
Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) và chất kếtdính (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 cốtthép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Từ đó sản sinh rakết 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 kéotốt của thép Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay sức kháng uốn lớn hơn hàng chụclần so với dầm bê tông có cùng kích thước
Trang 26Cốt thép chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịukéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiếtdiện 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 vếtnứt 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 đókhi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường ( dưới 100oC), ứng suấtxuất hiện không đáng kể, không làm phá hoại lực dính bám giữa bê tông vàcốt 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, chịuứng suất nén, để định vị các cốt thép khác Số lượng do tính toán định ra nhưng cũngphải 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 chịukéo của cấu kiện, đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ mô men, đặt càng xa trục trung hoàcàng tốt
Trang 27Hình 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 cốtthép 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 chịuứng suất do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần củacốt thép kiểm soát nứt bề mặt
Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặtcốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi làtiết diện đặt cốt kép Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịukéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn
Trang 282.1.2.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực
Trong cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực gồm hai loại cốt thép: Cốt thépthường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép dự ứng lực (cốt thép kéo căng ) Cốtthép 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 Cốtthép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng hoặc đường cong hoặc thẳng và cong.Tại chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên cần gia cường cho bê tôngtại đó bằng các lưới cốt thép gia cường Tại đầu neo liên kết sẽ xuất hiên lực tập trunglớn cũng cần phải gia cường cho bê tông tại các vị trí này bằng các cốt thép gia cườnghoặc bản phân bố
Hình 2.4 Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực [nguồn: internet]
2.2 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 dụngtrong 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 nghiệmđánh giá cường độ chịu nén dễ thực hiện và cho kết quả tin cậy hơn so với thí nghiệmđánh giá các đặc trưng khác như kéo
Cường độ bê tông tại thời điểm nén trước Rbp (được kiểm soát như đối với cấp độbền 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 cầnchỉ định không nhỏ hơn 15,5 MPa Ngoài ra, Rbp không được nhỏ hơn 50 % cấp độbền chịu nén của bê tông Đối với các kết cấu được tính toán chịu tải trọng lặp, khi sử
Trang 29dụng cốt thép sợi ứng lực trước và cốt thép thanh ứng lực trước nhóm CIV, A-IV vớimọi 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 việctăng cường độ của bê tông khi bắt đầu chịu ứng lực trước Khi thiết kế các dạng kếtcấu riêng, cho phép giảm cấp bê tông tối thiểu xuống một bậc là 5 MPa so với các giátrị cho trong Bảng 10, đồng thời với việc giảm cường độ của bê tông khi bắt đầu chịuứng 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 thứnhất Rb , Rbt và theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser , Rbt,ser được xác định bằngcách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê tông tương ứng khi nén
γbc và khi kéo γbt Các giá trị của hệ số γbc và γbt của một số loại bê tông chính chotrong Bảng 2.2
Trang 30Bảng 2.2 Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γbc và khi kéo γbt
Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi kéo dọc trục Rbtn (cường độ chịu kéo tiêuchuẩn của bê tông) trong những trường hợp độ bền chịu kéo của bê tông không đượckiểm soát trong quá trình sản xuất được xác định tùy thuộc vào cấp độ bền chịu néncủa bê tông cho trong Bảng 2.3 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 kéocủa bê tông được kiểm soát trong quá trình sản xuất được lấy bằng cấp độ bền chịukéo 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
Rb,ser , Rbt,ser , MPa
Trang 312.3 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:
Trang 33Bảng 2.4 Các thông số đầu vào
f2
Sức ép nén cực đại cho trạng thái đơn trục nén nhấn trên trạng
8thái 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:
h1 ( xp + yp ,+ zp ) 3
(2.4)
Do đó điều kiện Phương trình 1.6 áp dụng cho các tình huống với thành phầnứng suất thuỷ tĩnh thấp Tất cả năm thông số hỏng hóc cần được chỉ định khi mộtthành phần ứng suất thuỷ tĩnh lớn Nếu điều kiện Phương trình 1.6 không thỏa mãn vàcác giá trị mặc định được biểu diễn trong công thức 1.3 qua công thức 1.5 được giả
Trang 34định, 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
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:
g đó:
Trang 35(2.7)
Trang 38trị 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
Trường hợp 2
1
0
2(kéo - nén - nén)
Hàm F được xác định dưới dạng như sau:
Trang 39phẳng 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 thỏaσ1
Nếu tiêu chuẩn phá hủy chỉ thỏa mãn trong hướng 1, sự nứt xảy ra ở mặt phẳngvuông góc với áp suất chính σ1
2.4 Lực va chạm
Nghiên cứu đầu tiên trong lĩnh vực va chạm tàu được thực hiện bởi Minorskydựa 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 chạmgiữa hai tàu
Đối với bảo vệ trụ cầu, va chạm trực diện của tàu với tường cứng dựa trên kếtquả nghiên cứu của Woisin đã được đưa ra Theo đó, Woisin phát triển mối quan hệđộng 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