Phân tích mô hình số để xác định ứng xử của thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP

Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 70 ra kết luận rằng qua thí nghiệm hầm gió cho thấy cầu có vận tốc gió tới hạn lớn hơn vận tốc gió thiết kế. Các kết quả tính trong bảng 1 đưa ra các đánh giá gần đúng về vận tốc gió tới hạn của các cây cầu trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. C. Dyrbye, S.O. Hansen (1999) Wind loads on structures. John Willey & Sons. [2]. A. G. Frandsen (1966) Wind stability of suspension bridges - Application of the theory of thin airfoils. International Symposium on Suspension Bridges, Lisbon, Proceddings, pp. 609-627. [3]. Niels J. Gimsing (1983) Cable Supported Bridges: Concept and Design. John Wiley & Sons. [4]. M. Herzog (1999) Elementare Berechnung von Seibrücken. Werner Verlag, Düsseldorf. [5]. A. Selberg (1961) Oscillation and Aerodynamic Stability of suspension bridges. Technical Report 13, Acta Polytechnica Scandinarica, Civil Engineering and Building Construction Series. [6]. Emil Simiu, Robert H. Scanlan (1996) Wind effects on structures (3rd editon). John Wiley & Sons. [7]. M. Virlogenx (1992) Wind design and analysis of the Normandie bridge. Aerodynamics of large bridges. Proceedings of the first international symposium on aerodynamics of large bridges, Copenhagen, p. 183-216. [8].Tập hợp các thuyết minh kháng gió của cầu Trần Thị Lý, cầu Nhật Tân, cầu Cao Lãnh, cầu Vàm Cống, Rạch Miễu. Ngày nhận bài: 20/3/2017 Ngày phản biện: 12/5/2017 Ngày duyệt đăng: 20/5/2017 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH SỐ ĐỂ XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA THÙNG BÊ TÔNG THÀNH MỎNG CỐT THANH FRP NUMERICAL ANALYSIS FOR DETERMINATION OF BEHAVIOR OF THIN CONCRETE BLOCK REINFORCED BY FRP TRẦN LONG GIANG Viện Nghiên cứu Phát triển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Tóm tắt Trong bài báo này, tác giả phân tích các cơ chế phá hủy của thùng bê tông thành mỏng phần mềm SAP2000. Tác giả cũng so sánh kết quả mô hình tính toán bằng phần mềm SAP2000 với kết quả thí nghiệm dùng để kiểm chứng kết quả tính toán trong bài báo. Từ khóa: Thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP, bản thành, bản đáy, mô hình số. Abstract In this paper, the author has studied effects of anchored method on internal force distribution of element of construction by SAP2000. The author also makes the comparison between the results of SAP2000 with results of the physical model to validate conclusion of this paper. Keywords: Thin concrete block reinforced by FRP, vertical shell, bottom shell, numerical model. 1. Đặt vấn đề Hiện nay ở Việt Nam ý tưởng sử dụng vật liệu FRP thay cho cốt thép trong thi công các thùng bê tông cốt thép truyền thống để xây dựng kè bờ, đê chắn sóng và cầu phao và công trình bến đã được áp dụng tại một số công trình có quy mô nhỏ, đồng thời ứng dụng này cũng đang thu hút được sự quan tâm rất lớn của các nhà nghiên cứu và các đơn vị thi công xây dựng công trình. Các nguyên tắc chung tính toán kết cấu bê tông sử dụng thanh FRP thay thế cho cốt thép đã được xây dựng và công bố năm 2015, [1], [2], tuy vậy việc phân tích kỹ ứng xử của các bộ phận bản thành, bản đáy khi chịu tải trọng tác động chưa được nghiên cứu hoàn chỉnh, đa phần các nghiên cứu mới dừng lại ở mức nêu hiện tượng nhưng việc phân tích nguyên nhân của hiện tượng chưa được đề cập đến. Việc mô phỏng số là một cơ sở quan trọng để tìm hiểu rõ cơ chế làm việc của kết cấu từ đó giải thích được ứng xử của kết cấu một cách chính xác. Chính vì vậy, trong bài báo này tác giả sử Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 71 dụng phần mềm SAP2000 để lập mô hình số đi sâu phân tích ứng xử của bản thành, bản đáy của kết cấu thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP dưới tác dụng của lực gây phá hoại. 2. Xây dựng mô hình tính toán của thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP bằng phần mềm SAP2000 Nguyên tắc mô hình hóa thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP trong SAP2000 cũng tương tự như mô hình thùng bê tông cốt thép truyền thống, tức là yêu cầu đầu vào phải có tải trọng, các thông số hình học của kết cấu, các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu làm kết cấu công trình. Sau đó ta phải khai báo các điều kiện ràng buộc của kết cấu, sau khi mô hình hóa kết cấu, ta chọn các tổ hợp tải trọng và tiến hành tính toán để xác định nội lực và chuyển vị,[3]. 2.1. Số liệu đầu vào Để phân tích ứng xử của thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP, trong bài báo này, tác giả lựa chọn mô hình kết cấu thùng bê tông thành mỏng có kích thước LxBxH=6mx2,4mx1,4m đã được sản xuất và bán trên thị trường của Công ty Cổ phần Xây dựng và tư vấn đầu tư Hoàng Lê được trình bày trong hình 1. Kết cấu thùng được mô hình dưới dạng khối không gian bao gồm phần tử thanh (dầm dọc và dầm ngang), phần tử tấm (bản thành và bản đáy). Mô hình hóa các thông số của vật liệu như sau: - Bê tông: khối lượng riêng  = 2,45T/m3; E = 36.106N/m3; Hệ số poát xông µ = 0,20. - Thanh FRP có đường kính D10mm, có Mô đun đàn hồi khi kéo, E = 75000 MPa, Hệ số poát xông µ = 0,30. Chi tiết chỉ tiêu cơ lý xem trong [1] và [5]. Mô hình hóa các mặt cắt hình học tiết diện dầm như sau: - Dầm dọc trên DD1: 275x275x6000mm: chiều cao h = 275mm, chiều rộng b = 275mm, chiều dài dầm l = 6000mm. - Dầm ngang trên DN1: 275x275x2400mm: chiều cao h = 275mm, chiều rộng b = 275mm, chiều dài dầm l = 2400mm. - Dầm dọc dưới DD2: 275x275x6000mm: chiều cao h = 275mm, chiều rộng b = 275mm, chiều dài dầm l = 6000mm. - Dầm ngang dưới DN2: 275x275x2400mm: chiều cao h = 275mm, chiều rộng b = 275mm, chiều dài dầm l = 2400mm. -Sườn gia cường bản thành S1 có mặt cắt ngang trên: 80x50mm, mặt cắt ngang dưới 230x50mm. - Phía dưới thùng được gia cố bằng các dầm dọc DD3 và dầm ngang DN3 chia lưới ô cờ với khoảng cách 500mm, có kích thước mặt cắt ngang 50x230mm. Hình 1. Kết thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP thực và mô hình trong SAP2000 Số liệu tải trọng đầu vào để phân tích kết cấu thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP được lựa chọn trên cở sở các giá trị tải trọng được dùng để thí nghiệm mẫu đến phá hủy trình bày cụ thể như trong bảng 1, vị trí các điểm đặt lực giống như trong thí nghiệm mẫu phá hủy được trình bày trong các hình 2, 3 và 4. Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 72 Bảng 1. Số liệu tải trọng dùng trong tính toán bằng SAP2000 STT Tải trọng kích Đơn vị Giá trị 1 TH1. Tải trọng tác dụng lên bản thành từ trong ra T 3,5 2 TH2. Tải trọng tác dụng lên bản thành từ ngoài vào T 8,0 3 TH3. Tải trọng tác dụng lên bản đáy T 30 Hình 2. Mẫu thí nghiệm bản thành tải trọng từ trong ra Hình 3. Mẫu thí nghiệm bản thành tải trọng từ ngoài vào Hình 4. Mẫu thí nghiệm bản đáy 2.2. Tính toán chuyển vị kết cấu thùng bê tông thành mỏng thanh FRP bằng SAP2000 2.2.1. Trường hợp 1 (TH1). Tải trọng tác dụng lên bản thành từ ngoài vào Kết quả tính toán chuyển vị tại vị trí sườn số 4 (S4) và số 10 (S10) nơi đặt tải trọng tập trung của thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP (TH1: tải trọng tác dụng từ ngoài vào trong như hình 2) được trình bày như sau: - Chuyển vị lớn nhất trong S4. um =17,396, mm; - Chuyển vị lớn nhất trong S10. um =17,396 mm; - Mmax =130T.m (Chi tiết phân bố mô men trên hình 5). Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 73 Hình 5. Phân bố mô men trường hợp tải trọng lên bản thành từ ngoài vào 2.2.2. Trường hợp 2 (TH2). Tải trọng tác dụng lên bản thành từ trong ra Kết quả tính toán nội lực tại vị trí sườn S4 và S10 trong TH2 được trình bày như sau: - Chuyển vị lớn nhất trong S4. um =7,56mm; - Chuyển vị lớn nhất trong S10. um = 7,56mm; - Mmax =34,45T.m (Chi tiết phân bố mô men trên hình 6). Hình 6. Phân bố mô men trường hợp tải trọng lên bản thành từ trong ra 2.2.3.Trường hợp 3 (TH3). Tải trọng tác dụng lên bản đáy Kết quả tính toán nội lực tại vị trí sườn S4 và S10 của thùng bê tông thành mỏng cốt thanh FRP (hình 4) được trình bày như sau: - Chuyển vị lớn nhất trong S4. um =4,52mm; - Chuyển vị lớn nhất trong S10. um = 4,52mm; - Mmax=100T.m (Chi tiết phân bố mô men trên hình 7). Hình 7. Phân bố mô men trường hợp tải trọng lên bản đáy Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 51-8/2017 74 3. So sánh kiểm chứng kết quả mô hình số trong SAP2000 với kết quả thí nghiệm Việc tiến hành thí nghiệm thùng bê tông thành mỏng đã được thực hiện bởi Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng - Số 81, Trần Cung, P. Nghĩa Tân, Q. Cầu Giấy, Hà Nội theo hợp đồng ký kết giữa Viện khoa học công nghệ xây dựng và Công ty cổ phẩn tư vấn xây dựng Hoàng Lê. Công tác thí nghiệm được thực hiện trực tiếp ngoài hiện trường tại bãi sản xuất thùng bê tông thành mỏng cốt thanh polyme của Công ty cổ phẩn tư vấn xây dựng Hoàng Lê - Địa chỉ: 138 Lê Lai - Ngô Quyền - Hải Phòng. Sơ đồ bố trí đồng hồ đo chuyển vị trong thí nghiệm mẫu phá hủy được thể hiện trên hình 8. Kết quả đo chuyển vị trong thí nghiệm mẫu đến phá hủy ngoài hiện trường được tổng hợp như sau: Trường hợp 1. Tải trọng tác dụng lên bản thành từ ngoài vào: - Chuyển vị lớn nhất trong S4. ut =18,3 mm; (Tại vị trí đặt lực); - Chuyển vị lớn nhất trong S10. ut =18,57mm; (Tại vị trí đặt lực). Trường hợp 2. Tải trọng tác dụng lên thành từ trong ra: - Chuyển vị lớn nhất trong S4. ut =9,2mm; - Chuyển vị lớn nhất trong S10. ut = 9,37mm. Trường hợp 3. Tải trọng tác dụng lên bản đáy - Chuyển vị lớn nhất trong S4. ut =4,2mm; - Chuyển vị lớn nhất trong S10. ut =4,8mm. Hình 8. Sơ đồ bố tri đồng hồ đo chuyển vị Để kiểm chứng kết quả của mô hình số trong SAP2000, tác giả so sánh kết quả của ứng suất và chuyển vị của sườn đứng gia cường của mô hình số trong SAP2000 và kết quả đo trong thí nghiệm tại vị trí sườn S4 và S10 (vị trí tải trọng tác dụng). Bảng 2. So sánh kết quả ứng suất và chuyển vị ứng với 03 trường hợp tải trọng Trường hợp TH1(S4) TH2 (S4) TH3 (S4) TH1(S10) TH2 (S10) TH3 (S10) Sai số chuyển vị  5,0% 18,0% 8,0% 6,3% 19,3% 5,8% 4 1 2 3