Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LÂM THANH QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP

CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

LÂM THANH QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP
CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ : 62.58.02.08

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS. TS. LÊ THANH HUẤN
2. GS. TS. NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG

HÀ NỘI – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, khách
quan và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019
Tác giả luận án

Lâm Thanh Quang Khải


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy PGS. TS.

Lê Thanh Huấn và thầy GS.TS. Nguyễn Tiến Chương đã tận tình hướng dẫn,
cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị và thường xuyên động viên, tạo mọi
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu
hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học của tác giả.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Trung tâm thí nghiệm và
kiểm định chất lượng công trình, các cán bộ, giảng viên, thí nghiệm viên

Phòng thí nghiệm công trình của Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã nhiệt
tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm của luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên Bộ môn Kết cấu
bêtông cốt thép, Khoa Xây dựng, Khoa Sau đại học Trường Đại học Kiến
Trúc Hà Nội, nơi tác giả đã nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các Chuyên gia, các Nhà khoa học trong
và ngoài Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến
để luận án được hoàn thiện.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây dựng
Miền Tây, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn
thành tốt luận án.
Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, người thân đã
động viên khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian
học tập và thực hiện luận án.
Tác giả luận án
Lâm Thanh Quang Khải


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................ ix
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. xii
DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH............................................................................... xv
MỞ ĐẦU

1. Lý do lựa chọn đề tài........................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................... 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................... 3
4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 4
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................ 4
6. Kết cấu luận án .................................................................................... 4
7. Những đóng góp mới của luận án ....................................................... 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MÁI VỎ THOẢI
BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU .............................................. 7

1.1. Tổng quan các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mái vỏ thoải
bêtông cốt thép cong hai chiều một lớp .......................................................... 7

1.1.1. Các nghiên cứu lý thuyết .................................................................. 7


iv

1.1.1.1. Các nghiên cứu giải tích............................................................. 7

1.1.1.2. Các nghiên cứu theo các phương pháp số .................................. 10
1.1.2. Các nghiên cứu thực nghiệm............................................................. 13
1.2. Tổng quan các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mái vỏ thoải
bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp ............................................ 16

1.3. Các nội dung cần nghiên cứu của luận án ................................................ 19
CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍNH MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐ THÉP
CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP ............................................. 20

2.1. Các khái niệm và ứng dụng của mái vỏ mỏng ......................................... 20
2.1.1. Các khái niệm về mái vỏ mỏng ......................................................... 20
2.1.2. Phạm vi ứng dụng và ưu điểm của mái vỏ mỏng ............................. 22
2.1.3. Mái vỏ thoải cong hai chiều đã xây dựng trong và ngoài nước ........ 22
2.2. Lý thuyết tính cơ bản về mái vỏ thoải cong hai chiều dương một lớp .... 23
2.2.1. Hệ phương trình của Vlasov ............................................................. 23
2.2.2. Tính toán vỏ theo trạng thái phi mô men ......................................... 25
2.2.2.1. Dùng chuỗi lượng giác kép của Navier .................................... 25
2.2.2.2. Dùng chuỗi lượng giác đơn của Lévi ........................................ 26
2.2.2.3. Dùng phương pháp điểm (bán giải tích) ................................... 26
2.2.3. Tính toán vỏ theo trạng thái mô men ............................................... 31
2.2.3.1. Tính toán vỏ theo lý thuyết hiệu ứng biên ................................ 31
2.2.3.2. Tính toán vỏ theo lý thuyết mô men tổng quát .......................... 32
2.3. Lý thuyết tính mái vỏ thoải cong hai chiều dương nhiều lớp ................. 34


v

2.3.1. Hệ phương trình giải mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều
dương nhiều lớp mặt bằng chữ nhật ............................................................... 34

2.3.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải cong hai chiều dương
nhiều lớp ......................................................................................................... 37

2.4. Lời giải cho bài toán mái vỏ thoải nhiều lớp theo lý thuyết vỏ một lớp
tương đương ................................................................................................... 42

2.4.1. Mái vỏ thoải hai lớp ......................................................................... 42
2.4.1.1. Lời giải giải tích ........................................................................ 42
2.4.1.2. Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 ... 47
2.4.2. Mái vỏ thoải 5 lớp ............................................................................. 52
2.4.2.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải 5 lớp với điều
kiện biên tựa khớp ........................................................................................... 52

2.4.2.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải 5 lớp với điều
kiện biên ngàm ................................................................................................ 61

2.5. Nhận xét ................................................................................................... 64
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP HAI LỚP BẰNG THỰC
NGHIỆM ........................................................................................................ 66
3.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ....................................... 66
3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .................................................... 66
3.1.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .................................................... 67
3.2. Cơ sở thiết kế mẫu và mô hình thí nghiệm .............................................. 68
3.2.1. Cơ sở thiết kế .................................................................................... 68


vi

3.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm cho luận án ........................................ 69
3.2.3. Các tiêu chuẩn thiết kế ...................................................................... 71
3.3. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm ......................................................... 71

3.3.1. Vật liệu .............................................................................................. 71
3.3.2. Mẫu thí nghiệm ................................................................................. 72
3.3.3. Mục đích, loại và vị trí dán strain gage ............................................. 74

3.3.4. Chế tạo mẫu thí nghiệm .................................................................... 75
3.3.5. Bảo dưỡng mẫu ................................................................................. 78
3.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ............................................... 78
3.4.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bêtôn g ........................ 78
3.4.2. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bêtông ............................ 81
3.4.3. Thí nghiệm kéo thép ......................................................................... 83

3.5. Thí nghiệm mái vỏ thoải bêtông cốt thép 2 lớp ....................................... 83
3.5.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm ......................................................... 85
3.5.2. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................ 89
3.5.3. Kết quả thí nghiệm mái vỏ thoải 2 lớp.............................................. 93
3.5.3.1. Biểu đồ biến dạng trong mái vỏ ................................................. 94
3.5.3.2. Biểu đồ ứng suất, nội lực và độ võng trong mái vỏ ................... 97
3.6. Nhận xét ................................................................................................... 100
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG
CỦA MÁI VỎ THOẢI HAI LỚP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ KHẢO
SÁT THAM SỐ ........................................................................................... 101


vii

4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS và các nội dung nghiên cứu .................... 101

4.1.1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm ANSYS......................................... 101

4.1.2. Các nội dung nghiên cứu mô phỏng số ............................................. 103
4.2. Lựa chọn mô hình hóa cốt thép sợi phân tán trong bêtông ...................... 104
4.3. Lựa chọn mô hình hóa vết nứt trong bêtông............................................ 105
4.4. Lựa chọn mô hình tiếp xúc giữa 2 lớp bêtông ......................................... 106
4.5. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho mái vỏ ...................................... 111
4.5.1. Phần tử trong mô hình ....................................................................... 111
4.5.2. Chia lưới cho mô hình ....................................................................... 112
4.5.3. Điều kiện biên và tải trọng tác dụng ................................................. 113
4.6. Mô hình vật liệu ....................................................................................... 113
4.6.1. Mô hình vật liệu bêtông .................................................................... 113
4.6.1.1. Mô hình ứng suất biến dạng của bêtông khi chịu nén ............... 114
4.6.1.2. Mô hình ứng suất biến dạng của bêtông khi chịu kéo ............... 118
4.6.2. Tiêu chuẩn phá hoại của bêtông ........................................................ 118
4.7. Thông số đầu vào cho mô hình ................................................................ 119
4.8. Kết quả nghiên cứu giữa thí nghiệm và mô phỏng số ............................. 121
4.8.1. Độ võng của các phương pháp trong vỏ ........................................... 121
4.8.2. Ứng suất của các phương pháp trong vỏ........................................... 122
4.8.3. Độ võng và ứng suất của mái vỏ ở cấp tải bắt đầu bêtông xuất hiện
vết nứt .............................................................................................................. 124

4.8.4. Nhận xét ............................................................................................ 125


viii

4.9. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất biến dạng của
mái vỏ bằng mô phỏng số ............................................................................... 125

4.9.1. Tham số bề dày từng lớp ................................................................... 125
4.9.2. Tham số vị trí lớp bêtông sợi ............................................................ 129
4.9.3. Khảo sát trượt các lớp trong mái vỏ thoải ......................................... 131
4.10. Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải 36×36m ............................ 134
4.11. Nhận xét ................................................................................................. 140
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 141
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 143
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 144


ix

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Chữ cái Latinh viết hoa

A

Tiết diện ngang của mẫu

Amn, Cmn

Hệ số

D

Độ cứng uốn của vỏ

Dmax

Đường kính max

E, E0

Mô đun đàn hồi của vật liệu

Eb

Mô đun đàn hồi của bêtông

E1, E2

Mô đun đàn hồi của vật liệu lớp 1 và lớp 2 vỏ

H

Mô men xoắn

I

Mô men quán tính của tiết diện

K

Độ cong Gauss

L1, L2, L3

Toán tử vi phân

Mx, My

Mô men uốn theo phương x, y

Nx(a), Ny(b)

Nội lực theo phương x(a), y(b)

P

Tải trọng tác dụng dạng tập trung

Qx, Qy

Lực cắt theo phương x, y

Rx, Ry

Bán kính cong theo phương x, y

R

Bán kính cong của vỏ

Rm

Giá trị trung bình cường độ chịu nén của mẫu

Rgage

Điện trở strain gage

Rb

Cường độ chịu nén tính toán theo TTGH1


x

Rbt

Cường độ chịu kéo tính toán theo TTGH1

S

Lực tiếp tuyến

Chữ cái Latinh thường

a, b

Chiều dài cạnh của mặt bằng đáy chữ nhật

a1…an

Các hệ số

ds

Độ dài của đoạn phân tố cong

dx, dy

Hình chiếu phẳng độ dài của đoạn phân tố cong

f1, f2

Độ vồng của các đường cong trượt theo 2 phương

f

Độ vồng lớn nhất tại đỉnh mái vỏ

hred,b

Chiểu dày quy đổi

h, hv

Chiều dày vỏ

h1, h2

Chiều dày lớp 1 và lớp 2 vỏ

kx, ky, kxy

Độ cong theo phương 0x, 0y và độ cong xoắn

k1, k2

Các đường cong chính

m, n

hệ số 1, 3, 5…

q

Tải trọng tác dụng phân bố

x, y, z

Tọa độ Descartes vuông góc

Chữ cái Latinh Hy Lạp
c

Biến dạng uốn của vỏ

t

Biến dạng xoắn của vỏ, ứng suất tiếp

v

Hệ số Poisson của vật liệu

j

Hàm ứng suất

xi

w

Hàm chuyển vị

f

Đường kính thanh thép

Ñ

Toán tử vi phân

s, sx, sy

Ứng suất pháp

bn

Tỉ số np/a

e, e0, ex, ey

Biến dạng

a , b, g

Tọa độ cong abg


xii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tên đầy đủ

ASTM, ACI

Tiêu chuẩn ASTM, ACI

BTT

Bêtông thường

BTS

Bêtông cốt sợi thép

BTCT

Bêtông cốt thép

B

Cấp độ bền của bêtông

ĐH

Đại học

EXP

Thực nghiệm

FEA

Mô phỏng số

HN

Hà Nội

M

Mác bêtông

MPa

Mega Pascal

PTHH

Phần tử hữu hạn

PDT

Phiến điện trở

Strain gage

Tenzomet điện trở

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

T1…T50

Tenzomet 1… Tenzomet 50


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full