Tài liệu Nghiên cứu ứng xử của bản bê tông cốt thép chịu xoắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN MAI CHÍ TRUNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU XOẮN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Mà SỐ: 62.58.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2017 Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Vương Ngọc Lưu 2. TS. Phạm Phú Tình Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án này được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp trường, tại: Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội. Vào hồi: ….. giờ ….. ngày ….. tháng ….. năm …… Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện quốc gia, Thư viện trường Đại học Kiến trúc Hà Nội 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn, và độ cứng chống xoắn của bản BTCT, cho đến nay còn ít các công trình được công bố. Nghiên cứu gần đây nhất là của Lopes và cộng sự (2014) đã nghiên cứu độ cứng của bản BTCT chịu xoắn trước và sau khi bê tông nứt. Trong tính toán bản BTCT, nếu kể cả khả năng chịu xoắn của bản vào trong tính toán thì mômen xoắn sẽ làm giảm bớt khoảng 25% mômen uốn. Quan hệ mômen - độ cong của tấm được biễu diễn như sau:  M x   Dx  Dy 0   x       0   y   M y    Dx Dy M   0 0 Dxy   xy     xy   Trong phương trình trên, giá trị mômen phụ thuộc vào các hằng số độ cứng chống uốn Dx, Dy và độ cứng chống xoắn Dxy. Với vật liệu đàn hồi và đồng nhất thì các hằng số độ cứng này được xác định như lý thuyết đàn hồi. Với vật liệu BTCT, nếu bản làm việc trong miền đàn hồi thì các hằng số độ cứng này có thể được xác định theo Huber (1929), nếu bản làm việc ngoài miền đàn hồi thì việc xác định các hằng số độ cứng này là khá phức tạp, nếu có được các giá trị Dx, Dy, Dxy trong giai đoạn ngoài miền đàn hồi, kể đến bê tông đã nứt và cốt thép đã bị chảy dẻo, thì kết quả phân tích sẽ cho các giá trị mômen chính xác và hợp lý hơn. Việc áp dụng được độ cứng chống xoắn của bản vào việc phân tích bản chịu uốn, có ý nghĩa thực tế, vì bản thân bản có một độ cứng hữu hạn ngoài mặt phẳng của nó. Do đó, việc xác định độ cứng chống xoắn tại các giai đoạn làm việc của bản là cần thiết, đặc biệt là độ cứng chống xoắn sau khi bê tông nứt. Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu độ cứng chống xoắn Dxy của bản BTCT. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “nghiên cứu ứng xử của bản bê tông cốt thép chịu xoắn” sẽ cung cấp một lời giải về độ cứng 2 chống xoắn cho bản phẳng BTCT là thiết thực, vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu  Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn, xác định độ cứng chống xoắn của bản ở hai giai đoạn: trước khi bê tông nứt, và sau khi bê tông nứt đến thời điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo.  Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến độ cứng chống xoắn của bản. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Các bản phẳng BTCT thường, chịu xoắn.  Phạm vi nghiên cứu: Tấm mỏng Kirchhoff, có tỷ số h/l <1/5; Nghiên cứu độ cứng chống xoắn Dxy của bản BTCT chịu xoắn. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm (EXP) kết hợp với mô phỏng số (FEA). Các kết quả thí nghiệm và kết quả mô phỏng số được so sánh và kiểm chứng lẫn nhau, và được so sánh với các kết quả nghiên cứu khác. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học: Luận án cung cấp một lời giải về trạng thái ứng suất - biến dạng, độ cứng chống xoắn của bản phẳng BTCT chịu xoắn, bằng thực nghiệm trên mô hình thật, và thí nghiệm số kết hợp giải tích.  Ý nghĩa thực tiễn: Hiệu ứng xoắn trong bản luôn tồn tại trong thực tế làm việc của kết cấu. Việc phân tích kết cấu có kể đến độ cứng chống xoắn của bản sẽ cho lời giải chính xác hơn, và giúp việc thiết kế hợp lý hơn. 6. Kết cấu luận án Luận án được cấu trúc thành bốn phần: Mở đầu; Nội dung; Kết luận, kiến nghị; Phụ lục. Phần nội dung được trình bày trong bốn chương, gồm: Chương 1. Tổng quan về bản BTCT chịu xoắn. Chương 2. Lý thuyết tính độ cứng chống xoắn của bản BTCT. Chương 3. Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn bằng thực nghiệm. Chương 4. Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn bằng mô phỏng số và khảo sát tham số. 3 7. Những đóng góp mới của luận án 1. Đóng góp một kết quả nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của bản BTCT chịu xoắn, thông qua việc phân tích: hình dạng biến dạng, sự hình thành và phát triển vết nứt, cơ cấu phá hoại, ứng suất trong cốt thép, các quan hệ tải trọng - chuyển vị, mômen xoắn - độ xoắn. Từ kết quả thí nghiệm, tính được độ cứng chống xoắn của bản tại hai giai đoạn, giai đoạn I, từ lúc bản chịu tải trọng tác dụng đến điểm bê tông bắt đầu nứt, giai đoạn II, từ điểm bê tông bắt đầu nứt đến điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo. Đánh giá định lượng sự giảm độ cứng chống xoắn ở giai đoạn II so với giai đoạn I. 2. Trên cơ sở ứng dụng phần mềm ANSYS, xây dựng mô hình PTHH của bản BTCT chịu xoắn, để phân tích ứng xử của bản từ lúc chịu tải cho đến lúc bản bị phá hoại, và xác định được độ cứng chống xoắn của bản. 3. Sử dụng mô hình đã xây dựng, nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số đến độ cứng chống xoắn của bản, gồm: hàm lượng cốt thép, chiều dày của bản, cường độ của bê tông, cách bố trí cốt thép trong bản và bố trí cấu tạo tăng cường cốt thép ở biên. NỘI DUNG CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU XOẮN 1.1 Sự xoắn của bản bê tông cốt thép 1.1.1 Hiệu ứng xoắn trong bản Xét một ô bản làm việc hai phương, bốn cạnh tựa đơn, chịu tải trọng phân bố đều. Xét dải s1 và l1 đi qua trung tâm của bản, các dải này chịu uốn. Xét các dải gần mép bản, như dải s2 và l2, ta thấy các dải này không những chịu uốn, mà còn chịu xoắn về phía trung tâm bản, hình 1.1a. Độ cứng chống xoắn của dải s2 cản trở sự uốn của dải l2, và ngược lại. Sự làm việc của bản khi chịu tải trọng có thể xem như những dải chịu uốn và xoắn, hình 1.1b. Khi phân tích, nếu coi các dải bản là hoàn toàn độc lập, thì sự tương hỗ về độ cứng là không có. 4 (a) (b) Hình 1.1 Bản hai phương có bốn cạnh tựa đơn (a) Các dải bản; (b) Hiệu ứng xoắn trong bản. Để thấy rõ sự xoắn của bản, xét một dải bản theo phương y, hình 1.1b. Dưới tác dụng của tải trọng phân bố trên bề mặt bản, tại một vị trí y bất kỳ thì tiết diện B đã bị thay đổi góc theo phương y so với tiết diện A, dẫn đến hiện tượng xoắn trong bản. Nói một cách khác, sự Hình 1.2 Sự thay đổi xoắn trong bản chính là sự thay đổi góc x theo góc φx theo phương y. phương y, hình 1.2. 1.1.2 Ảnh hưởng của khả năng chịu xoắn đến mômen uốn trong bản Xét một ô bản vuông, bốn cạnh tựa đơn, tải trọng trên bản là q (kN/m2), tải trọng phân cho mỗi phương là qa = qb = q/2.  Bỏ qua khả năng chịu xoắn, nghĩa là các dải bản được xem là độc lập, thì mômen uốn lớn nhất trong mỗi dải sẽ là:  q 2  l 2  0,0625ql 2 (1.1) M max  8  Kể cả khả năng chịu xoắn. Theo lý thuyết của Timoshenko về uốn tấm đàn hồi thì mômen uốn lớn nhất trong bản là: (1.2) M max  0,0479ql 2 Điều này chứng tỏ rằng nếu kể cả khả năng chịu xoắn của bản thì mômen xoắn làm giảm bớt khoảng 25% mômen uốn. Khi tính ngoài miền đàn hồi, có kể đến sự phân phối lại nội lực thì mômen uốn lớn nhất trong (1.2) sẽ giảm 25%, khi đó mômen uốn lớn nhất trong bản là: M max  0,036ql 2 . 5 1.2 Tổng quan về các nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn 1.2.1 Phân tích các công trình nghiên cứu thực nghiệm Bảng 1.1 Tóm tắt các nghiên cứu bằng thực nghiệm về bản BTCT chịu xoắn Tác giả Holmes và cộng sự (1969, 1974) Drozdov (1984) Marti và cộng sự (1987) Vũ Đình Xuân (1995) May và cộng sự (2001) Lopes và cộng sự (2014) Nội dung nghiên cứu chính Hình dạng và sự phát triển vết nứt; Quan hệ mômen xoắn - độ cong; Tính mômen uốn giới hạn có kể đến xoắn; Ảnh hưởng của hướng thép. Quan hệ tải trọng - chuyển vị ;Tính độ cứng chống xoắn Dxy của sàn lắp ghép. Hình dạng và sự phát triển vết nứt; Quan hệ mômen xoắn – độ xoắn; Tính mômen uốn giới hạn có kể đến xoắn; Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép; Ảnh hưởng của cách bố trí cốt thép. Quan hệ mômen xoắn - góc xoay; Tính độ cứng chống xoắn Dxy ở giai đoạn trước nứt; Ảnh hưởng của độ lớn mômen uốn đến ứng xử xoắn. Hình dạng và sự phát triển vết nứt; Quan hệ mômen xoắn - độ xoắn; Tính mômen uốn giới hạn có kể đến xoắn; Ảnh hưởng của độ lớn mômen uốn đến ứng xử xoắn. Quan hệ tải trọng - chuyển vị; Quan hệ mômen xoắn - độ xoắn; Tính độ cứng chống xoắn Dxy ở giai đoạn trước và sau nứt; Ảnh hưởng của: lưới hàn và lưới buộc, có và không có bố trí cấu tạo cốt thép ở biên, kích thước mẫu thí nghiệm đến độ cứng chống xoắn. Cách gây mômen xoắn Tác dụng lực tại hai góc trên đường chéo Tác dụng lực tại một góc Lực tác dụng phân bố đều trên bốn cạnh Tác dụng lực tại một góc 1.2.2 Phân tích một số lời giải về độ cứng chống xoắn của bản BTCT 1.2.2.1 Xác định độ cứng chống xoắn thông qua độ cứng chống uốn Huber (1929). 1.2.2.2 Độ cứng chống xoắn của bản BTCT chịu xoắn thuần túy Nielsen (1920), Mari (1987). 6 1.2.2.3 Độ cứng chống xoắn của bản chịu lực dọc trục, mômen uốn, mômen xoắn Gudmand-Høyer (2004). 1.3 Các nội dung cần nghiên cứu của luận án  Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn bằng thực nghiệm, gồm: Hình dạng biến dạng, sự hình thành và phát triển vết nứt, cơ cấu phá hoại của bản. Khảo sát ứng suất trong cốt thép. Xây dựng quan hệ tải trọng chuyển vị, mômen xoắn - độ xoắn. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày bản, hàm lượng và cách bố trí cốt thép, bản có và không có bố trí cấu tạo cốt thép ở biên đến ứng xử và độ cứng chống xoắn của bản.  Xác định độ cứng chống xoắn của bản trước và sau khi bê tông nứt.  Nghiên cứu ứng xử của bản BTCT chịu xoắn bằng mô phỏng số (FEA).  Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến ứng xử và độ cứng chống xoắn của bản bằng các thí nghiệm số. CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍNH ĐỘ CỨNG CHỐNG XOẮN CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Phân loại tấm 2.2 Lý thuyết tấm mỏng đàn hồi 2.2.1 Các giả thiết khi tính toán tấm 2.2.2 Quan hệ biến dạng - độ cong 2.2.3 Ứng suất và nội lực trong tấm 2.2.4 Phương trình vi phân độ võng của tấm 2.2.5 Tấm trực hướng 2.3 Độ cứng của tấm đàn hồi 2.3.1 Độ cứng của tấm đẳng hướng 2.3.2 Độ cứng của tấm trực hướng 2.4 Độ cứng chống xoắn của cấu kiện bê tông cốt thép có tiết diện chữ nhật 2.4.1 Phương trình tổng quát xác định độ cứng chống xoắn Độ cứng chống xoắn của dầm trước và sau khi bê tông nứt, theo Hsu 7 được tính từ độ dốc của biểu đồ quan hệ mômen xoắn - độ xoắn. 2.4.2 Phương trình đơn giản hóa xác định độ cứng chống xoắn sau khi bê tông bị nứt 2.5 Lời giải bán giải tích xác định độ cứng chống xoắn của bản BTCT 2.5.1 Công thức xác định độ cứng chống xoắn của bản Độ cứng chống xoắn, Dxy, được tính như sau: m Dxy  xy (2.1) y P  xy Luận án sẽ tiến hành nghiên cứu thực z P+W 2 x C4 1 C2 1 P C1 P+W 2 nghiệm và mô phỏng số để xác định mômen C3   xoắn trung bình, mxy, và độ xoắn xy. trong đó, P là tải trọng tác dụng, W là trọng lượng bản thân bản. Hình 2.1 Tải trọng tác dụng lên bản. C4 x 12 y 1 2 3 4 1 2 13  Xác định mômen xoắn trung bình, mxy  P W l  kNm  (2.2) C2 mxy     1    2 8 b  m   Xác định độ xoắn,xy 3 C3 4 C1 Khi có chuyển vị tại bốn điểm bất kỳ Hình 2.2 Vị trí các điểm trên mặt bản, độ xoắn của bản được chuyển vị trên mặt bản. tính như sau:     rad  d d d d  xy  x  43 21  (2.3) ; 21  2 1 ; 43  4 3  m  l12 l12 y l13   2.5.2 Định nghĩa các giai đoạn độ cứng chống xoắn của bản Luận án sẽ nghiên cứu độ cứng chống xoắn của bản BTCT tại hai giai đoạn. Giai đoạn I, từ lúc bản bắt đầu chịu tải trọng tác dụng cho đến điểm bê tông bắt đầu nứt, ký hiệu Dxy,I. Giai đoạn II, từ Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn độ điểm bê tông bắt đầu nứt đến điểm cốt cứng chống xoắn của bản tại hai giai đoạn. 8 thép bắt đầu chảy dẻo, ký hiệu Dxy,II. Dựa trên phương pháp xác định độ cứng chống xoắn cho dầm BTCT trước và sau khi bê tông nứt của Hsu. Độ cứng chống xoắn của bản BTCT ở giai đoạn I và giai đoạn II được tính như sau: m  mxy ,cr m Dxy , I  xy ,cr (2.4); Dxy , II  xy , y (2.5)  xy , y   xy ,cr  xy ,cr trong đó mxy,cr và xy,cr là mômen xoắn trung bình và độ xoắn của bản khi bê tông bắt đầu nứt; mxy,y và xy,y là mômen xoắn trung bình và độ xoắn của bản khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo. 2.6 Nhận xét Lý thuyết tấm mỏng đàn hồi không áp dụng được cho bản BTCT ngoài miền đàn hồi, từ đó luận án sẽ sử dụng lời giải bán giải tích (kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm) để xác định độ cứng chống xoắn của bản BTCT ở giai đoạn đàn hồi và ngoài miền đàn hồi. Để tính được Dxy,I và Dxy,II, cần có các giá trị tải trọng, P, chuyển vị, d1, d2, d3, d4, tại thời điểm bê tông bắt đầu nứt và cốt thép bắt đầu chảy dẻo. Các giá trị này có được từ kết quả thí nghiệm, và kết quả mô phỏng số, được trình bày ở chương ba và chương bốn của luận án. CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU XOẮN BẰNG THỰC NGHIỆM 3.1 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm 3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu như nội dung một và hai ở mục 1.3. 3.1.2 Nội dung nghiên cứu Thiết kế thí nghiệm; Tiến hành thí nghiệm; Đánh giá và xử lý kết quả thí nghiệm; Tính Dxy,I và Dxy,II, kết quả từ thí nghiệm sẽ được kiểm chứng với lời giải giải tích của Marti và Nielsen. 3.2 Cơ sở thiết kế mẫu và mô hình thí nghiệm Phân tích hai mô hình thí nghiệm bản BTCT chịu xoắn của Marti 9 (1987) và Lopes (2014), từ đó đề xuất mô hình thí nghiệm cho luận án.  C4 C2 d4  P L C1 d2 d1 d3 C3 Hình 3.2 Mô hình của Lopes. Hình 3.1 Mô hình của Marti. 3.2.1 Mô hình của Marti và cộng sự (1987) Mômen xoắn được tạo ra bằng cách tác dụng vào góc B và D cặp lực P bằng nhau, góc A và C được ngăn cản chuyển vị đi xuống, hình 3.1. 3.2.2 Mô hình của Lopes và cộng sự (2014) Lopes đã cải tiến mô hình thí nghiệm của Marti: khi chỉ tác dụng lực tại một góc C1, các góc còn lại được ngăn cản chuyển vị như hình 3.2. Lopes đã đo chuyển vị và lực tại bốn góc. 3.2.3 Thiết lập mô hình thí nghiệm cho luận án a. Nhược điểm của mô hình của Lopes Cần tám LVDTs để đo chuyển vị tại bốn góc, ba load cell để đo phản lực tại ba gối tựa, và một load cell để đo lực tác dụng; Biểu diễn sai phân của Lopes sẽ cho sai số lớn, vì đoạn chia quá lớn (lấy trên cả chiều dài của bản); Tải trọng tại thời điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo được xác định dựa vào sự thay đổi hướng của đường cong (P – d) là chưa chính xác, vì sự thay đổi hướng này là không rõ rệt. b. Thiết lập mô hình thí nghiệm cho luận án C4 Mô hình thí nghiệm của luận án sẽ dựa trên P mô hình của Lopes và có một số cải tiến. D2 D1 C1 D4 Cách gây ra mômen xoắn giống mô hình C2 D3 dC1 của Lopes, nhưng cách đo khác nhau. Tại C3 góc C1 có gắn 01 LVDT và 01 load cell để Hình 3.3 Mô hình thí đo quan hệ lực - chuyển vị. Ngoài ra chuyển nghiệm của luận án. vị được đo tại bốn điểm ở mặt trên của bản, hình 3.3, thay vì đo tại bốn góc của bản. Khoảng cách giữa bốn điểm 10 đo là 500 mm (đã được khảo sát bằng FEA) theo cả hai phương. c. Những cải tiến từ mô hình của luận án so với mô hình của Lopes Số lượng LVDTs ít hơn (năm so với tám của Lopes); Góc xoay của tiết diện và độ xoắn của bản được xác định chính xác hơn, vì khoảng cách giữa các điểm đo vừa đủ nhỏ để biểu diễn sai phân, ít sai số hơn, đồng thời vừa đủ lớn để chứa các vết nứt; Tải trọng tại thời điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo được xác định chính xác hơn, vì có dán các strain gages để đo biến dạng trong cốt thép. 3.3 Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm 3.3.1 Vật liệu Bê tông B22,5. Cốt thép d10, CB300-V. 3.3.2 Mẫu thí nghiệm Chín bản vuông BTCT, trong đó tám mẫu có kích thước 19001900150 mm và một mẫu có kích thước 19001900200 mm. Loại 0: Gồm hai mẫu S8_I_a100_H150 và S9_I_a100_H150 được dùng để thí nghiệm thử. Loại 1: Ba mẫu giống nhau là S1_I_a200_H150, S2_I_a200_H150 và S3_I_a200_H150, để kiểm tra sự hội tụ của kết quả thí nghiệm, đồng thời ba mẫu này sẽ làm tham chiếu cho các mẫu còn lại. Loại 2: Một mẫu S4_I_a100_H150, để nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép. Loại 3: Một mẫu S5_I_a200_H200, để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày bản. Loại 4: Một mẫu S6_O_a100.200_H150, để nghiên cứu ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép trực hướng đến độ xoắn. Loại 5: Một mẫu S7_I_a200_ES_H150, để nghiên cứu ảnh hưởng của cấu tạo cốt thép ở biên. Năm mẫu được dán các strain gages vào cốt thép để đo biến dạng. 3.3.3 Vị trí dán strain gage Cơ sở để chọn vị trí dán: căn cứ vào kết quả mô phỏng sơ bộ, lưới thép ở mặt trên được dán sáu cái, lưới thép ở mặt dưới được dán hai cái. 3.3.4 Bố trí các tấm thép đệm và móc cẩu 3.3.5 Chế tạo mẫu thí nghiệm 3.3.6 Bảo dưỡng mẫu 11 3.4 Vận chuyển và xếp đặt mẫu vào xưởng thí nghiệm 3.5 Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu 3.5.1 Thí nghiệm cường độ chịu nén và môđun đàn hồi của bê tông Cường độ chịu nén, R28 = 37,93 MPa; Môđun đàn hồi, E28 = 28608 MPa 3.5.2 Thí nghiệm kéo thép Giới hạn chảy: fy = 468,54 MPa Giới hạn bền: fu = 562,28 MPa Hình 3.4 Biểu đồ ứng suất - biến dạng khi kéo thép. 3.6 Thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu xoắn 3.6.1 Đặc trưng của các mẫu thí nghiệm 3.6.2 Các đại lượng cần đo Đo giá trị lực và chuyển vị, tại góc C1. Đo chuyển vị tại bốn điểm D1, D2, D3, D4 trên mặt bản. Đo biến dạng,  , trong cốt thép. 3.6.3 Thiết bị thí nghiệm Kích gia tải động 500 kN; Load cell; LVDT; Data Logger. 3.6.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm B' C2 1 C4 LVDTs 2 Load cell LRCN 730 500 3 A' KÝch gia t¶i ®éng 500kN 4 Trô thÐp 5 DÇm thÐp 6 Gi¸ ®ì LVDTs 8 D2 Sµn 7 D1 Khèi thÐp trô 1 D3 D4 1 C1- T¸c dông lùc C1 B C3 C2- §-îc ng¨n c¶n chuyÓn vÞ lªn 2 C3, C4- §-îc ng¨n c¶n chuyÓn vÞ xuèng A 3 B-B' A-A' 4 1 7 2 1 6 8 1 6 1 8 7 5 1 5 1 Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm. 5 7 12 3.6.5 Tiến hành thí nghiệm  Bước 1: Công tác chuẩn bị  Bước 2: Lắp đặt và kiểm tra các thiết bị đo  Bước 3: Bắt đầu thí nghiệm Thiết lập tốc độ gia tải 0,05 mm/s. Trong quá trình thí Hình 3.6 Quá trình thí nghiệm và ghi dữ liệu. nghiệm có thể quan sát ứng xử của mẫu thông qua biểu đồ P-d từ màn hình máy tính, hình 3.6. 3.7 Kết quả thí nghiệm 3.7.1 Số liệu thí nghiệm và cách xử lý Để mịn hóa đường cong P-d, 100 số liệu trong 1 giây được lấy trung bình còn 1 số liệu trong 10 giây cho mỗi mẫu. 3.7.2 Hình dạng biến dạng và sự phát triển vết nứt Hình 3.8 Vết nứt ở Hình 3.9 Vết nứt ở mặt dưới. mặt trên. Vết nứt đầu tiên ở mặt trên xuất hiện gần góc C3, C4 và lan thành một vệt dài theo đường chéo C3-C4 (hướng 1), các vết nứt tiếp theo vẫn song song với vết nứt đầu tiên và lan dần về góc C1 và C2 (hướng 2). Vết nứt ở mặt dưới trực giao với vết nứt ở mặt trên. 3.7.3 Hình thức phá hoại Phá hoại xảy ra tại góc C3 hoặc C4 vì bê tông vùng này bị nén vỡ, hình 3.10. 3.7.4 Ứng suất trong cốt thép Tại các vị trí dán strain gage, cốt thép đã Hình 3.10 Phá hoại tại góc C3. chảy dẻo, ngoại trừ vị trí SG7 của mẫu S2_I_a200_H150, xem bảng 3.1 Hình 3.7 Hình dạng biến dạng. 13 Bảng 3.1 Ứng suất trong cốt thép Mẫu Strain gage SG1 SG 2 SG 3 SG 4 SG 5 SG 6 SG 7 SG 8 S1_a200_H150 S2_I_a200_H150 S3_I_a200_H150 S6_O_a100.200_H150 s,cr s,max s,cr s,max s,cr s,max s,cr s,max (MPa) 30,93 7,8 11,69 5,94 5,07 5,18 23,19 9,05 (MPa) 492,36 472,11 471,37 474,65 470,05 471,55 485,10 472,34 (MPa) 52,015 3,514 23,86 3,62 x 4,53 25,80 2,762 (MPa) 533,53 474,62 473,41 473,26 x 471,71 372,24 474,38 (MPa) 35,474 x 6,10 1,57 6,02 5,96 36,33 x (MPa) 474,11 x 470,55 471,87 472,30 472,88 472,57 x (MPa) 11,64 1,70 12,54 47,16 1,92 1,50 12,12 29,04 (MPa) 471,23 472,60 471,84 540,77 472,49 473,79 474,40 474,29 3.7.5 Quan hệ tải trọng - chuyển vị Hình 3.11 Biểu đồ so sánh P - d của các mẫu. Nhận xét: Ba mẫu S1, S2, và S3 cho kết quả rất hội tụ. Giai đoạn I: các đường P-d rất gần nhau, trừ mẫu S5 vì có chiều dày lớn hơn. Giai đoạn II: các đường P-d có độ dốc khác nhau cho thấy được sự ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép, bố trí cấu tạo cốt thép ở biên và bố trí cốt thép trực hướng đến ứng xử của mẫu. 3.7.6 Quan hệ mômen xoắn - độ xoắn 14 Hình 3.12 Biểu đồ so sánh mxy - xy của các mẫu. 3.8 So sánh độ cứng chống xoắn của các bản từ thực nghiệm và các lời giải giải tích Bảng 3.2 Giá trị Dxy theo thí nghiệm và lời giải của Nielsen và Marti Mẫu S1_I_a200_H150 S2_I_a200_H150 S3_I_a200_H150 S4_I_a100_H150 S5_I_a200_H200 S6_O_a100.200_H150 S7_I_a200_ES_H150 Thí nghiệm (1) (2) Nielsen (3) (4) Marti (5) Dxy,I (kNm) Dxy,II (kNm) Dxy,uncr (kNm) Dxy,cr (kNm) Dxy,uncr (kNm) 7891 7470 7718 7883 16573 7627 7894 309 288 326 748 372 432 463 8231 8388 8294 8359 20239 8508 8463 273 275 274 372 531 331 276 7055 7190 7109 7165 17348 7292 7254 (6) Dxy,cr (kNm) 617 620 618 977 1150 787 621 Bảng 3.3 Chênh lệch kết quả giữa thí nghiệm so với Nielsen và Marti Mẫu S1_I_a200_H150 S2_I_a200_H150 S3_I_a200_H150 S4_I_a100_H150 S5_I_a200_H200 S6_O_a100.200_H150 S7_I_a200_ES_H150 Thí nghiệm - Nielsen (1)-(3) (2)-(4) (%) (%) 4,13 11,65 10,94 4,51 6,94 15,95 5,69 50,27 18,11 29,9 10,35 23,38 6,72 40,39 Thí nghiệm - Marti (1)-(5) (2)-(6) (%) (%) 10,59 49,92 3,75 53,55 7,89 47,25 9,11 23,44 4,66 67,65 4,39 45,10 4,69 25,44 15 Bảng 3.4 Tỷ số độ cứng chống xoắn Dxy,I/Dxy,II S1_I_a200_H150 S2_I_a200_H150 S3_I_a200_H150 S4_I_a100_H150 S5_I_a200_H200 S6_O_a100.200_H150 S7_I_a200_ES_H150 (2) Nielsen (3) Marti Dxy , II Mẫu (1) Thí nghiệm Dxy , I Dxy ,uncr Dxy ,cr Dxy ,uncr Dxy ,cr 25,6 26,0 23,7 10,5 44,5 17,7 17,1 30,1 30,5 30,3 22,5 38,1 25,7 30,6 11,4 11,6 11,5 7,3 15,1 9,3 11,7 Chênh lệch giữa thí nghiệm so với Nielsen và Marti (1)-(2) (%) 14,95 14,75 21,78 53,33 16,80 31,13 44,12 (1)-(3) (%) 55,47 55,38 51,48 30,48 66,07 47,46 31,58 Nhận xét: Giai đoạn I: độ cứng chống xoắn theo ba lời giải khá phù hợp nhau, chênh lệnh dưới 19%. Giai đoạn II: độ cứng chống xoắn của một số mẫu theo ba lời giải chênh lệch khá lớn, vì theo thí nghiệm bê tông đã nứt nhưng tính tới thời điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo, theo Nielsen không xác định rõ tính đến thời điểm nào sau khi bê tông nứt, theo Marti thì bê tông đã nứt nhưng vẫn còn làm việc trong miền đàn hồi. 3.9 Nhận xét Hàm lượng cốt thép và bố trí cấu tạo cốt thép ở biên, chỉ ảnh hưởng đến độ cứng chống xoắn ở giai đoạn II, ít ảnh hưởng đến độ cứng chống xoắn ở giai đoạn I. Ngược lại, với chiều dày bản, ảnh hưởng đến độ cứng chống xoắn ở giai đoạn I rất lớn, ít ảnh hưởng đến độ cứng chống xoắn ở giai đoạn II. Cốt thép được bố trí đẳng hướng hoặc trực hướng, đều cho độ xoắn xy = yx. Từ kết quả thí nghiệm, trong chương tiếp theo, luận án sẽ hoàn thiện mô hình phân tích PTHH. Từ đó, dùng mô hình số này để nghiên cứu ứng xử cho các bản BTCT chịu xoắn, và khảo sát ảnh hưởng của tham số đến độ cứng chống xoắn của bản. 16 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU XOẮN BẰNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ KHẢO SÁT THAM SỐ 4.1 Giới thiệu Các nội dung cần nghiên cứu: (1) Xây dựng mô hình PTHH cho bảy mẫu bản trong thí nghiệm, và giải bài toán bằng cách viết các mô đun chương trình bằng ngôn ngữ APDL để tích hợp vào phần mềm ANSYS; (2) Điều chỉnh các thông số đầu vào để hoàn thiện mô hình PTHH sau khi có kết quả thí nghiệm; (3) Phân tích bảy mẫu bản trong thí nghiệm bằng mô hình PTHH đã được điều chỉnh. Kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng số được so sánh với nhau; (4) Thí nghiệm số để nghiên cứu ảnh hưởng của tham số đến ứng xử và Dxy của bản. 4.2 Mô hình hóa cốt thép trong bê tông Mô hình “discrete” được dùng để mô hình hóa cốt thép trong bê tông. 4.3 Mô hình hóa vết nứt trong bê tông Mô hình “smeared” được dùng để mô hình hóa vết nứt trong bê tông. 4.4 Xây dựng mô hình phần tữ hữu hạn 4.4.1 Phần tử trong mô hình Bê tông: SOLID65; Cốt thép: LINK180; Tấm thép đệm: SOLID185. 4.4.2 Chia lưới và điều kiện biên  Chia lưới: 422 phần tử, hình 4.1.  Điều kiện biên: Góc C2, UZ = 0; Góc C3 và C4, UX = 0, UY = 0, UZ = 0; Tại góc C1 được tác dụng một lực tập trung P tại tâm của tấm thép, hình 4.1. 1 4.5 Mô hình vật liệu 4.5.1 Mô hình vật liệu bê tông a. Sự làm việc của bê tông Hình 4.1 Chia lưới và điều kiện biên. b. Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông thường khi nén, không kiềm chế nở ngang 17 Khảo sát một số mô hình bê tông, kết quả như hình 4.2. Mô hình của Kachlakev (2001) cho kết quả đường (P-d) phù hợp với Hình 4.2 Quan hệ (P-d) theo thí nghiệm và FEA. thí nghiệm nhất. Trong luận án này luật vật liệu cho nhánh bê tông chịu nén được lấy theo mô hình của Kachlakev. c. Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông khi chịu kéo Sử dụng mô hình được định nghĩa sẵn trong ANSYS. 4.5.2 Mô hình vật liệu cốt thép Mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng. 4.6 Thông số đầu vào cho mô hình 4.6.1 Bê tông a. Tiêu chuẩn phá hoại cho bê tông: Willam và Warnke trong ANSYS b. Các thông số cần nhập vào mô hình 4.6.2 Cốt thép 4.7 So sánh kết quả giữa thí nghiệm (EXP) và mô phỏng số (FEA) 4.7.1 Biến dạng và vết nứt của bản C2 C2 C2 C4 C4 C3 C3 C1 C4 C3 C1 C1 Hình 4.3 Vết nứt của bản theo FEA. Vết nứt ở mặt trên của mẫu xuất hiện theo đường chéo C3-C4 và lan dần về góc C1 và C2, chứng tỏ kết quả theo FEA tương đồng với thí nghiệm. 18 4.7.2 Ứng suất trong bê tông và cốt thép Ứng suất lớn nhất trong bê tông tập trung tại góc C3 và C4 ở mặt dưới của bản, hình 4.4, nên bê tông vùng này bị nén vỡ, phù hợp với Ứng suất mặt trên Ứng suất mặt dưới thí nghiệm. Vị trí cốt thép Hình 4.4 Ứng suất trong bê tông. bắt đầu chảy dẻo xuất hiện C4 C2 C4 C2 ở lưới thép mặt trên, trên đường chéo C3-C4. Lưới thép mặt dưới, các vị trí C1 C1 C3 C3 cốt thép có ứng suất lớn theo hướng đường chéo Ứng suất của cốt Ứng suất của cốt thép mặt trên thép mặt dưới C1-C2, ngược lại với lưới Hình 4.5 Ứng suất trong cốt thép. thép ở mặt trên, hình 4.5. 4.7.3 Quan hệ tải trọng - chuyển vị và mômen xoắn - độ xoắn a. Quan hệ tải trọng - chuyển vị Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ (P – d) theo EXP và FEA.