Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
MÔ HÌNH HÓA NÚT KHUNG BIÊN BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHỊU TẢI TRỌNG NGANG BẰNG PHƯƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chu Tuấn Long
Trường Đại học Thủy lợi
1. GIỚI THIỆU CHUNG ABAQUS cho phép đánh giá sự làm việc của
nút khung được cấu tạo theo quy định theo
Trong kết cấu khung bê tông cốt thép
TCVN qua các thời kỳ khác nhau như đã
(BTCT), nút khung đóng một vai trò quan
trình bày ở trên.
trọng trong việc truyền lực giữa các cấu kiện
dầm và cột, đặc biệt là với các công trình 2. MÔ HÌNH HÓA NÚT KHUNG BIÊN
được thiết kế chịu động đất. Trong khi hiểu
biết về ứng xử các cấu kiện cột và dầm BTCT Mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều nút
đã rất rõ ràng, ứng xử của nút khung BTCT là khung biên BTCT có kể đến sự làm việc phi
một vấn đề phức tạp và ít được nói đến hơn. tuyến của vật liệu bê tông và cốt thép được
Để đảm bảo an toàn, nguyên tắc thiết kế khung xây dựng trên phần mềm ABAQUS phiên
BTCT là mong muốn phá hoại bắt đầu từ dầm, bản 6.14. Mô hình được kiểm chứng bằng kết
cột và cuối cùng là nút khung. quả nghiên cứu thực nghiệm của Pantelides
Hiện tại các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê và đồng sự [1].
tông và BTCT ở Việt Nam gồm nhiều phiên
bản theo các năm, được chuyển dịch từ tiêu
chuẩn Nga, cụ thể: (i) TCVN 5574:1991; (ii)
TCVN 5574:2012; (iii) tiêu chuẩn mới phát
hành TCVN 5574:2018 quy định về chiều dài
neo cốt thép được thay đổi theo hướng gần
giống của Eurocode. Ngoài ra, TC thiết kế
kháng chấn TCVN 9386:2012 được chuyển
dịch từ tiêu chuẩn Eurocode quy định chiều
Hình 1. Bố trí thí nghiệm nút khung biên
dài neo cốt thép cần tuân theo EN 1992-1-
của Pantelides và đồng sự [1]
1:2004. Như vậy, quy định của TCVN về nút
khung chưa đồng bộ và do đó đã gây khó khăn
cho các kỹ sư trong thực hành tính toán thiết
kế và cấu tạo nút khung cũng như đánh giá sự
làm việc các kết cấu khung BTCT đã có sẵn.
Mô hình phần tử hữu hạn nút khung BTCT
đã được xây dựng và nghiên cứu trên thế
giới những năm gần đây, và cho kết quả
đáng tin cậy.
Trong bối cảnh đó, xây dựng mô hình
phần tử hữu hạn nút khung biên BTCT chịu Hình 2. Kích thước và cấu tạo nút khung biên
tải trọng ngang đẩy dần sử dụng phần mềm trong thí nghiệm của Pantelides và đồng sự [1]
184
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
Trong thí nghiệm này, các tác giả đã thực 2.2. Mô hình vật liệu
hiện thí nghiệm đẩy ngang tại đầu dầm một 2.2.1. Cốt thép
nút khung với bố trí thí nghiệm như Hình 1,
cấu tạo và kích thước nút khung như Hình 2. Mô hình vật liệu đàn dẻo trong thư viện
Nút khung được chế tạo từ bê tông có cường vật liệu ABAQUS được sử dụng để mô
độ phá hoại cu 46.2MPa , các đặc trưng phỏng tính chất vật liệu của cốt thép. Đường
ứng suất - biến dạng của thép được xác định
cốt thép như trong Bảng 1. thông qua mô đun đàn hồi Es và cường độ
Bảng 1. Đặc trưng cốt thép [1] chịu kéo fy. Mô đun đàn hồi của cốt thép
thông thường được lấy là 210GPa. Mô hình
Cốt thép Đường kính σy (Mpa) σu (Mpa)
này có thể sử dụng được cho cả ứng xử kéo
Thép dầm #9(28.65mm) 454.4 746 và nén của cốt thép.
Thép cột #7(22.23mm) 469.5 741.9 2.2.2. Bê tông
Thép đai #3(9.53mm) 427.5 654.3 Mô hình bê tông phá hoại dẻo (Concrete
Damaged Plasticity - CDP) [2] được sử dụng
2.1. Loại phần tử và chia lưới để mô tả tính chất vật liệu ở cả vùng kéo và
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R nén của bê tông.
trong thư viện vật liệu của ABAQUS là dạng Thông số cụ thể của mô hình CDP được
phần tử khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính được lấy từ kết quả thực nghiệm hoặc tính toán từ
gán cho các phần tử bê tông. Các thanh cốt cường độ chịu nén lớn nhất cu của bê tông
thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình theo các công thức thực nghiệm. Có rất nhiều
phần tử dạng khối (solid), dạng dầm (beam) cách xác định đặc trưng cho mô hìn h CDP
hoặc dạng thanh (truss). Phần tử dạng khối khác nhau đã được sử dụng. Bài báo này sử
cho phép mô phỏng chính xác sự làm việc dụng các công thức do [3] đề xuất. Trong đó
của cốt thép và tương tác bê tông - cốt thép bê tông làm việc chịu nén đàn hồi đến ứng
nhưng sẽ làm tăng khối lượng tính toán. Phần
suất 0.5 cu , sau đó quan hệ ứng suất - biến
tử phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để
mô phỏng cốt thép. Tương tác bê tông - cốt dạng theo công thức thực nghiệm :
thép được mô hình bằng dạng tương tác c 0
c
cu
nhúng (embeddement) với giả thiết dính bám 1 c 0
giữa bê tông và cốt thép là tuyệt đối. Trong đó đại lượng β và ε0 là biến dạng tại
đỉnh được xác định theo công thức như sau:
1
1 cu / 0 E0
0 8.9 10 5 cu 2.114 103
Mô đun đàn hồi của bê tông E0 được xác
Hình 3. Chia lưới mô hình và điều kiện biên định theo công thức sau:
E0 1.2431 102 cu 3.28312 103
Hình 3 thể hiện mô hình nút khung biên
Trong các công thức trên, đơn vị của các
gồm bê tông, cốt thép dọc và cốt thép đai đã
đại lượng cu , u , E0 là kip/in2 (1 MPa =
được chia lưới. Ảnh hưởng kích thước phần
tử khi chia lưới được đánh giá bằng 3 mô 0.145037743 kip/in2).
hình có kích thước phần tử từ 20, 50 và Ứng xử của bê tông khi chịu kéo cũng được
100mm. Kết quả tính toán cho thấy chia lưới xác định từ cường độ chịu nén lớn nhất cu của
phần tử với kích thước 50mm cho phép tính bê tông do thiếu các thông số thực nghệm.
toán nhanh mà vẫn đảm bảo được độ chính Cường độ chịu nén lớn nhất (gây nứt) của bê
xác của kết quả. tông được xác định theo công thức sau:
185
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2021. ISBN: 978-604-82-5957-0
t 0.33 cu Mô hình có thể được sử dụng để mở rộng
nghiên cứu về ứng xử của nút khung BTCT.
Hình 4. Số liệu đường cong ứng suất - biến
dạng dùng cho mô hình CDP - ABAQUS [5]
Hình 5. Biểu đồ Lực - chuyển vị đầu dầm so
Quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm
khi chịu kéo lấy theo [4]. Bên cạnh đó, mô
hình CDP sử dụng 5 thông số để mô tả quá
trình hình thành và dạng phá hoại dẻo. Giá trị
của những thông số này được lấy theo
khuyến cáo trong hướng dẫn sử dụng phần
mềm Abaqus [5].
2.3. Điều kiện ràng buộc
Điều kiện biên được đặt vào mô hình tương
ứng với thí nghiệm kiểm chứng (Hình 2) tương
ứng như trong Hình 3 trong đó hai đầu cột
được liên kết khớp, đỉnh cột bố trí một lực Hình 6. Một số đặc trưng quan trọng của nút
nén tương đương 10% khả năng chịu nén của khung tại các thời điểm phá hoại chính
cột (69.85kN) và đầu dầm được gia tải tĩnh
đẩy dần. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Quá trình gia tải trong phần mềm được [1] C. P. Pantelides, C. Clyde, and L. D.
thực hiện thành hai bước, bước một đặt lực Reaveley, “Performance - Based Evaluation
nén lên đầu cột, sau đó duy trì lực nén đó. of Reinforced Concrete Building Exterior
Việc gia tải đẩy dần lên đầu dầm được thực Joints for Seismic Excitation,” Earthq.
hiện ở bước thứ 2 sau đó. Spectra, vol. 18, no. 3, pp. 449 - 480, Aug.
2002, doi: 10.1193/1.1510447.
3. KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH [2] “Abaqus/CAE User’s Guide,” p. 1146.
[3] L. S. Hsu and C. - T. T. Hsu, “Complete
Từ kết quả thực nghiệm, Pantelides và stress - strain behaviour of high-strength
đồng sự đã chỉ ra 3 thời điểm phá hoại chính concrete under compression,” Mag. Concr.
của nút khung tương ứng như trên Hình 5. Res., vol. 46, no. 169, pp. 301–312, Dec.
Những thời điểm phá hoại quan trọng của nút 1994, doi: 10.1680/macr.1994.46.169.301.
[4] A. Belarbi and T. T. C. Hsu, “Constitutive
(điểm A và B) theo mô tả trong nghiên cứu
Laws of Concrete in Tension and
thực nghiệm [1] cũng được thể hiện trên mô Reinforcing Bars Stiffened By Concrete,”
hình (Hình 5, Hình 6). Struct. J., vol. 91, no. 4, pp. 465–474, Jul.
1994, doi: 10.14359/4154.
4. KẾT LUẬN [5] B. Wahalathantri, D. Thambiratnam, T. Chan,
Mô hình phần tử hữu hạn nút khung chịu and S. Fawzia, “A Material Model for
Flexural Crack Simulation in Reinforced
tải trọng ngang đẩy dần cho kết quả tính toán Concrete Elements Using ABAQUS,”
sát với kết quả thực nghiệm đã được công bố. Apr. 2011.
186
nguon tai.lieu . vn
