Phân tích ứng xử cột bê tông cường độ cao chịu nén lệch tâm xiên bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CƠNG NGHIỆP LONG AN

BÙI THANH KIẾM

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỘT BÊ TÔNG
CƯỜNG ĐỘ CAO CHỊU TẢI NÉN LỆCH TÂM
XIÊN BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Long An - 2019


BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

Họ tên học viên: Bùi Thanh Kiếm

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CỘT BÊ TƠNG CƯỜNG
ĐỘ CAO CHỊU TẢI NÉN LỆCH TÂM XIÊN BẰNG
PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD và CN
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trương Tích Thiện

Long An – 2019
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu
của học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ
lực của học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu sự giảng dạy,
quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy Cô khoa Kiến trúc Xây dựng, Trường Đại học
Kinh tế Công nghiệp Long An trong q trình học tập cũng như hồn thành luận văn
cao học này.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS-TS Trương
Tích Thiện cùng tập thể các thầy cơ, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn,
truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành
tốt luận văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học
Xây dựng khố 4 đã hỗ trợ tơi trong q trình học tập và thực hiện luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Bùi Thanh Kiếm

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


BẢN CAM KẾT
Ngoài những kết quả tham khảo từ những cơng trình khác như đã được ghi trong
luận văn, tơi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được

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 hoàn
toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Bùi Thanh Kiếm

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


TĨM TẮT

Luận văn sử dụng chương trình ANSYS – chương trình tính tốn được xây dựng dựa
trên phương pháp phần tử hữu hạn – để phân tích ứng xử tĩnh cũng như ứng xử rạn nứt của
cột bê tông cốt thép chịu tải nén đúng tâm và lệch tâm. Luận văn cũng thực hiện bài tốn
cột bê tơng cốt sợi thủy tỉnh để đánh giá hiệu quả của cốt thép so với cốt sợi thủy tinh.
Luận văn đã thực hiện được ba bài tốn, kết quả tính tốn có so sánh và khá phù hợp với
kết quả từ các bài báo.

ABSTRACT
In this thesis, ANSYS – the engineering simulation software based on the finite
element method – is used to analyze static and crack behaviour of reinforced concrete
column under biaxial bending and axial load. Besides, Glass Fiber Reinforced Polymer
concrete column is analyzed to evaluate the effect of reinforcement compared with glass
fiber Reinforced Polymer. Three model is analyzed, results from ANSYS is also compared

with result which is publiced in papers.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... iii
BẢN CAM KẾT ................................................................................................................ iv
TÓM TẮT ............................................................................................................................v
MỤC LỤC ......................................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG.......................................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ẢNH ...................................................................................................x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................. xiii
Chương 1. TỔNG QUAN..................................................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ..................................................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài ................................................................................3
Nghiên cứu ngoài nước .......................................................................................3
Nghiên cứu trong nước .......................................................................................4
1.3. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................................4
1.4. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................5
1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................5
1.6. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................5
1.7. Lợi ích của đề tài .......................................................................................................6
Lợi ích khoa học ..................................................................................................6
Lợi ích thực tiễn ..................................................................................................6
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................................7
2.1. Vật liệu bê tông .........................................................................................................7
Tính chất cơ học của bê tơng ..............................................................................7

Tiêu chuẩn phá hủy bê tông ..............................................................................11
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn .................................................................................16
Giới thiệu...........................................................................................................16
Mơ hình hóa trong phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) .............................18
2.3. Mơ hình hóa kết cấu bê tơng có cốt trong Ansys ....................................................20
Mơ hình hóa khối bê tơng bằng phần tử khối ba chiều .....................................20
Mơ hình hóa cốt thép bằng phần tử thanh .........................................................21
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


Liên kết giữa phần tử bê tông và cốt trong Ansys ............................................21
2.4. Mơ hình hóa vết nứt trong kết cấu bê tơng có cốt trong phương pháp phần tử hữu
hạn ..................................................................................................................................22
Mơ hình smeared (phân tán) .............................................................................22
Mơ hình embeded (nhồi) ...................................................................................22
Mơ hình discrete (rời rạc) .................................................................................23
2.5. Phân tích kết cấu bằng chương trình ANSYS .........................................................24
2.6 Kết luận chương ......................................................................................................25
Chương 3. PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỘT BÊ TƠNG CỐT THÉP BẰNG CHƯƠNG
TRÌNH ANYSY.................................................................................................................27
3.1. Mơ hình bài tốn cột BTCT chịu nén đúng tâm ......................................................27
Mơ hình hình học của cột ..................................................................................27
Thơng số vật liệu ...............................................................................................28
Mơ hình PTHH ..................................................................................................29
Tải trọng – điều kiện biên .................................................................................30
Kết quả phân tích ..............................................................................................31
Đánh giá kết quả................................................................................................35
3.2. Mơ hình bài toán cột BTCT chịu nén lệch tâm .......................................................36

Trường hợp 1: tải trọng tác động lệch khỏi tâm 1 đoạn 50mm ........................36
Trường hợp 2: tải trọng tác động lệch khỏi tâm 1 đoạn 100mm ......................38
3.3. Mơ hình cột bê tơng cốt sợi thủy tinh......................................................................39
Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................... Error! Bookmark not defined.
4.1. Kết luận ...................................................................................................................42
Những nội dung đã làm được ............................................................................42
Những nội dung cịn thiếu sót ...........................................................................43
4.2. Kiến nghị .................................................................................................................43
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................44
Tiếng Việt .......................................................................................................................44
Tiếng Anh .......................................................................................................................44
PHỤ LỤC CODE ANSYS ................................................................................................46

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các thông số mô tả ứng xử phá hủy của vật liệu bê tông .........................12
Bảng 3.1. Thông số vật liệu của bê tông ...................................................................28
Bảng 3.2. Thông số vật liệu của thép ........................................................................29
Bảng 3.3. Bảng thông số vật liệu sợi GFRP..............................................................39

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Các trường hợp của cấu kiện chịu nén ........................................................1
Hình 1.2. Tiết diện cấu kiện chịu nén lệch tâm...........................................................2
Hình 1.3. Cách phân bố cốt thép dọc trong cột chịu nén lệch tâm .............................2
Hình 1.4. Tiết diện cột chịu nén lệch tâm xiên ...........................................................3
Hình 2.1. Các giai đoạn ứng xử của bê tông dưới tác dụng của tải trọng ...................8
Hình 2.2. Ứng xử của mẫu bê tơng chịu kéo theo Hillerborg (1983) .........................8
Hình 2.3. Thí nghiệm nén mẫu bê tơng hình trụ. a) Đường quạn hệ tải trọng và chuyển
vị; b) ứng xử bê tông vùng sau khi đạt cường độ lớn nhất; c) Phân bố biến dạng đo
được theo chiều cao mẫu thí nghiệm ..........................................................................9
Hình 2.4. Bê tông bị kéo nén ba trục. a) đường quan hệ ứng suất - biến dạng theo kết
quả thí nghiệm của Richart, Brandtzaeg và Brown (1928) đối với mẫu trụ với d=
102mm và l = 203 mm; (b) Kết quả thí nghiệm của Menne (1977) đối với mặt chảy.
d) Ứng xử trong trạng thái ứng suất phẳng ...............................................................10
Hình 2.5. Bê tông chịu kéo nén 2 trục: a) Các kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973),
Von Mier (1986); b) Giới hạn chảy lý tưởng ............................................................11
Hình 2.6. Sơ đồ khối chương trình PTHH ................................................................17
Hình 2.7. Một số PTHH thơng dụng .........................................................................18
Hình 2.8. Dạng hình học của phần tử SOLID65 .......................................................20
Hình 2.9. Phần tử cốt thép Link180 ..........................................................................21
Hình 2.10. Minh họa liên kết giữa phần tử bê-tơng và phần tử cốt thép ..................21
Hình 2.11. Mơ hình Smeared ....................................................................................22
Hình 2.12. Mơ hình Embeded ...................................................................................23
Hình 2.13. Mơ hình Discrete .....................................................................................23
Hình 2.14. Giao diện chương trình ANSYS .............................................................25
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


Hình 2.15. Các menu chính của ANSYS ..................................................................25
Hình 3.1. Cấu tạo cột BTCT theo Pawar [15] ...........................................................27
Hình 3.2. Đường cong ứng suất biến dạng của vật liệu bê tông M25 [14] ...............28
Hình 3.3. Khai báo ứng xử phi tuyến vật liệu thép trong ANSYS ...........................29
Hình 3.4. Khai báo ứng xử phi tuyến vật liệu bê tơng trong ANSYS ......................29
Hình 3.5. Mơ hình PTHH của cột .............................................................................30
Hình 3.6. Hình ảnh minh họa điều kiện biên và tải nén đúng tâm ............................30
Hình 3.7. Trường chuyển vị theo phương y (UY) ....................................................31
Hình 3.8. Trường ứng suất tương đương von-Mises trong cốt thép .........................31
Hình 3.9. Trường chuyển vị theo phương y (UY) tại bước lực thứ 15 .....................32
Hình 3.10. Trường chuyển vị theo phương y (UY) tại bước lực thứ 30 ...................32
Hình 3.11. Trường ứng suất tương đương von-Mises trong cốt thép tại các bước tải
15 (a) và 30 (b) ..........................................................................................................33
Hình 3.12. Kết cấu bắt đầu có vết nứt tại bước tải thứ 15 ........................................33
Hình 3.13. Sự phân bố vết nứt trong bê tơng kết cấu cột BTCT tại bước tải cuối cùng
...................................................................................................................................34
Hình 3.14. Sự phân bố vết nứt trong bê tông kết cấu cột BTCT tại các bước tải 19,
20, 25, 26, 27, 28 .......................................................................................................34
Hình 3.15. So sánh kết quả tính tốn từ ANSYS và kết quả thực nghiệm của Pawar.
...................................................................................................................................35
Hình 3.16. Mơ hình điều kiện biên và tải lệch tâm ...................................................36
Hình 3.17. Trường chuyển vị theo phương y tại bước tải thứ 10 .............................37
Hình 3.18. Kết cấu bắt đầu có vết nứt tại bước tải thứ 6 ..........................................37
Hình 3.19. Sự phân bố vết nứt trên kết cấu cột tại bước tải thứ 10 ..........................38
Hình 3.20. Trường chuyển vị theo phương y tại bước tải thứ 10 .............................38
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


Hình 3.21. Sự phân bố vết nứt trên kết cấu cột tại bước tải thứ 10 ..........................39
Hình 3.22. Trường chuyển vị theo phương y tại bước tải thứ 10 .............................40
Hình 3.23. Sự phân bố vết nứt trên mơ hình cột bê tơng cốt GFRP .........................40
Hình 3.24. Kết quả so sánh chuyển vị cực đại giữa hai mơ hình ..............................41

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ
PP PTHH

Ý nghĩa
Phương pháp phần tử hữu hạn

BTCT

Bê tông cốt thép

FEM

Finite Element Method

GFRP

Glass Fiber Reinforced Polymer

E

Module đàn hồi



Hệ số Poisson

fy

Cường độ tính tốn thép theo giới hạn
chảy của vật liệu

G

Mô đun trượt

 1 , 2 , 3

Các ứng suất chính

fC

Độ bền nén đơn trục của bê tông
Bề mặt phá hủy được xác định từ năm

S

 ah

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

thơng số f t , f c , f cb , f1 , f 2
Trạng thái ứng suất thủy tĩnh trong điều
kiện môi trường xung quanh

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


1

Chương 1. TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Cấu kiện chịu nén là cấu kiện chịu tác dụng của lực nén N dọc theo trục của nó. Tùy
theo vị trí của N mà phân biệt thành hai trường hợp nén đúng tâm và nén lệch tâm: khi lực
N đặt trùng với trọng tâm tiết diện ngang ta có cấu kiện chịu nén đúng tâm, khi N đặt lệch
so với trọng tâm tiết diện, ta có cấu kiện chịu nén lệch tâm (hình 1).
Lực N đặt lệch tâm tương đương với lực N đặt đúng tâm và một momen có giá trị:
M  Ne0

(1.1)

Cấu kiện chịu nén thường gặp là cột, thanh nén của dàn, thân vòm... Trên tiết diện
ngang xuất hiện lực dọc và mômen. Trong cấu kiện chịu nén, lực cắt Q thường ít nguy
hiểm hơn so với cấu kiện chịu uốn. Tuy vậy khi Q lớn cũng có thể gây ra sự phá hoại trên
tiết diện nghiêng nên cần phải tính tốn kiểm tra.

Hình 1.1. Các trường hợp của cấu kiện chịu nén
a) Nén đúng tâm; b,c) Nén lệch tâm
Đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm: tiết diện ngang thường có dạng chữ nhật, I, T,
vành khuyên hoặc cột rỗng 2 nhánh có chiều cao của tiết diện song song với mặt phẳng
uốn. Tỷ số h/b thường nằm trong khoảng 1,5 đến 3.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


2

Hình 1.2. Tiết diện cấu kiện chịu nén lệch tâm
Cấu tạo cốt thép trong cột gồm cốt dọc chịu lực, cốt dọc cấu tạo và cốt đai.
-

Cốt dọc chịu lực trong cột chịu nén lệch tâm thường được bố trí như hình 3.

-

Cốt thép dọc cấu tạo: Với cấu kiện nén lệch tâm, khi h > 500mm mà cốt thép dọc
As và A’s được đặt tập trung theo cạnh b thì cịn cần đặt cốt thép dọc cấu tạo vào
khoảng giữa cạnh h, dùng để chịu những ứng suất sinh ra do bê tơng co ngót, do
nhiệt độ thay đổi và cũng có thể giữ ổn định cho những nhánh cốt thép đai quá dài.
Cốt thép dọc cấu tạo không tham gia vào tính tốn khả năng chịu lực.

-

Cốt đai có tác dụng: giữ vị trí cốt thép dọc khi thi công, hạn chế nở ngang của bê

tông, giữ ổn định cốt thép dọc chịu nén, khi cấu kiện chịu lực cắt lớn thì cốt đai
tham gia chịu lực cắt.

Hình 1.3. Cách phân bố cốt thép dọc trong cột chịu nén lệch tâm
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


3
Cột chịu nén lệch tâm xiên là cột chịu đồng thời một lực nén dọc trục N, và mô men
uốn theo hai phương Mx, My lấy đối với các trục chính của tiết diện. Hình 3 biểu thị tiết
diện cột chịu nén lệch tâm xiên.

Hình 1.4. Tiết diện cột chịu nén lệch tâm xiên
Khái niệm bê tông cường độ cao chỉ mang tính chất tương đối về cơ bản nó chỉ khác
bê tơng thường là có cường độ cao hơn. Hiện nay, trên thế giới đang có xu hướng sử dụng
bê tông cường độ cao ngày càng nhiều nhất là trong 10 năm gần đây. Sử dụng bê tông
cường độ cao trong xây dựng hiện đại với nhiều ưu điểm như: Cường độ và môđun đàn
hồi cao; Cho cường độ sớm, cơng trình nhanh chóng đưa vào sử dụng; Giảm tải trọng chết
của cơng trình; Nhanh chóng đạt được mức độ từ biến cuối cùng; Tăng cường khả năng
chống thấm, chống ăn mịn; Giảm giá thành cơng trình...
1.2. Tình hình nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu ngoài nước
-

Shivani Sridhar & Pavithra L (2015) [11] sử dụng chương trình PTHH ABAQUS
để phân tích ứng xử của cột BTCT chịu nén lệch tâm, kết quả từ phần mềm được
kiểm chứng bằng thực nghiệm. Các kết quả của nghiên cứu này cho thấy kết quả
phân tích theo PTHH rất phù hợp với kết quả thực nghiệm.

-

Hugo Rodrigues (2014) [10] cùng các cộng sự phân tích ứng xử cột BTCT chịu
tác động tải trọng ngang. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử sử dụng phần
mềm Seismo Struct để phân tích, kết quả được so sánh với kết quả thí nghiệm. Có

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


4
6 mẫu thí nghiệm cột BTCT hình chữ nhật được nén với các trường hợp tải khác
nhau.
Nghiên cứu trong nước
-

Phan Quang Minh (2007) [2] giới thiệu qui trình tính tốn cốt thép không đối xứng
của cấu kiện chịu nén lệch tâm theo TCXDVN 356-2005.

-

Phan Đình Hào, Trịnh Hữu Hiệp (2016) [3] sử dụng chương trình PTHH
ABAQUS để phân tích ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông cường độ cao chịu
tải trọng nén đúng tâm. Mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra tải tới hạn của cấu kiện
và so sánh với kết quả tính theo tiêu chuẩn EUROCODE 4.

-

Nguyễn Thị Ngọc Loan (2016) [4] đã sử dụng công thức tải trọng nghịch đảo và
công thức đường viền tải trọng của Bresler, kết hợp với họ biểu đồ tương tác được
xây dựng cho tiết diện chịu nén lệch tâm phẳng, phù hợp với TCVN 5574:2012.
để xác định hay kiểm tra khả năng chịu lực của cột chịu nén lệch tâm xiên

1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Cột BTCT có vai trò truyền tải và moment từ kiến trúc thượng tầng tới cấu trúc bên
dưới. Do đó, vấn đề phân tích ứng xử của cột trong q trình chịu lực phức tạp như nén
lệch tâm xiên cần có độ chính xác cao.
Tại nước ta, đã có nhiều nghiên cứu về kết cấu BTCT như những nghiên cứu của các
nhóm tác giả Phan Quang Minh [2,3,4], Nguyễn Đình Cống [1], nhưng chủ yếu các nghiên
cứu này tập trung phân tích vấn đề ứng dụng các tiêu chuẩn của nước ngoài trong q trình
tính tốn và thiết kế kết cấu BTCT. Có rất ít những cơng bố về phân tích ứng xử cột bê
tông cường độ cao chịu nén lệch tâm xiên. Do đó, trong luận văn này, tác giả chọn đề tài
“Phân tích ứng xử cột bê tơng cường độ cao chịu nén lệch tâm xiên bằng phương pháp
phần tử hữu hạn” dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Trương Tích Thiện.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


5
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Luận văn này được thực hiện nhằm đáp ứng các mục tiêu sau:
-

Mục tiêu 1: Tìm hiểu tổng quan về ứng xử chịu nén của cột bê tông cường độ cao
 Các dạng ứng xử nén lệch tâm.
 Mơ hình vật liệu bê tơng cường độ cao, mơ hình vật liệu thép.

 Các phương pháp tính tốn thiết kế cột chịu nén lệch tâm.
 Các mơ hình ứng xử nén của bê tơng, cốt thép

-

Mục tiêu 2: Tìm hiểu PP PTHH cho vật liệu bê tơng cốt thép.
 Tìm hiểu các loại phần tử dùng để mơ hình cho kết cấu.
 Qui trình phân tích bài toán kết cấu BTCT bằng PP PTHH.

-

Mục tiêu 3: Nghiên cứu cách sử dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng xử
cột bê tông cường độ cao chịu nén lệch tâm xiên.
 Phân tích trường chuyển vị, ứng suất trong kết cấu
 Phân tích ứng xử rạn nứt của bê tông

-

Mục tiêu 4: Nghiên cứu khả năng thay thế cốt thép bằng cốt GFRP.

1.5. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Cột bê tông cường độ cao
Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử của cột khi bị nén lệch tâm xiên, bỏ qua ảnh hưởng của
lực cắt, hiện tượng nở ngang của bê tơng.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
-

Tìm kiếm các tài liệu về tính tốn cấu kiện BTCT, và PP PTHH cho bài tốn vật
liệu BTCT.

-

Tìm kiếm các tài liệu lý thuyết và bài báo khoa học phân tích ứng xử của cột bê
tơng cường độ cao, làm cơ sở so sánh với kết quả phân tích từ phần mềm.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


6
-

Sử dụng chương trình ANSYS để mơ hình và phân tích các dạng ứng xử của cột
bê tơng cường độ cao chịu nén lệch tâm xiên. Kết quả tính tốn trong phần mềm
được đánh giá thông qua sự so sánh với các bài báo khoa học.

1.7. Lợi ích của đề tài
Lợi ích khoa học
Ứng dụng chương trình tính tốn số hiện đại và mạnh mẽ để giải các bài toán kỹ thuật
là môt giải pháp được nhiều nhà khoa học quan tâm. Luận văn góp phần tạo ra quy trình
phân tích cột bê tơng cường độ cao bằng PP PTHH và áp dụng vào q trình tính tốn thiết
kế kết cấu BTCT ở Việt Nam.
Lợi ích thực tiễn
Việc tiến hành các thí nghiệm để nghiên cứu ứng xử của các cấu kiện BTCT cần chi
phí cao, nhiều máy móc thiết bị, công nghệ hiện đại và tốn khá nhiều thời gian cho việc
xây dựng mẫu thử. Vì vậy, việc thí nghiệm thường được thực hiện tại các trường, viện lớn,
có phịng thí nghiệm chun sâu. Do đó, vấn đề ứng dụng các phần mềm tính tốn PTHH
mạnh mẽ như: ANSYS, ABAQUS,.. để phân tích ứng xử cột bê tơng cường độ cao có ý
nghĩa thực tiễn đặc biệt quan trọng.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


7

Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Vật liệu bê tơng
Tính chất cơ học của bê tông
2.1.1.1. Ứng xử của vật liệu Bê tơng
Bê tơng là vật liệu composite. Nó bao gồm cốt liệu thơ và một nền vữa liên tục, nó tự
chứa một hỗn hợp vữa xi măng và những hạt cốt liệu nhỏ. Ứng xử vật lý rất phức tạp, được
xác định bởi cấu trúc của vật liệu composite. như tỷ lệ của nước với xi măng, tỷ lệ của xi
măng với cốt liệu hình dáng và kích thước của cốt liệu, và loại xi măng được dùng…Sự
phá huỷ bê tông bắt đầu bằng sự xuất hiện các đường nứt nhỏ phân tán trong các vùng chịu
lực bất lợi, tiếp đó khi tải trọng tiếp tục tăng,các đường nứt nhỏ này sẽ phát triển và liên
kết với nhau để tạo ra các đường nứt lớn có thể quan sát được.
Các giai đoạn ứng xử của bê tông từ trạng thái ngun vẹn đến phá huỷ hồn tồn có
thể được mơ tả như hình 2.1 (biến phá huỷ D thay đổi từ 0 đến 1 được sử dụng để mô tả
trạng thái phá huỷ của bê tông).
Giai đoạn đàn hồi hoặc tựa đàn hồi OA. Bê tơng được xem như cịn nguyên vẹn nghĩa
là chưa xuất hiện hay lan truyền nứt cơ học, Lý thuyết đàn hồi tuyến tính được mơ tả ứng
xử của bê tông giai đoạn này.
Giai đoạn không đàn hồi trước giới hạn phá hoại AB. Các đường nứt nhỏ xuất hiện
và lan truyền trong cấu trúc bê tông, các đường nứt này thường xuất phát từ phần liên kết
giữa các cốt liệu và vữa xi măng. Đây cũng là giai đoạn xuất hiện hiện tượng phá huỷ đồng
nhất (homogeneous damage) hay phân tán phá huỷ (diffuse damage) trong bê tông. Lý
thuyết cơ học phá huỷ được sử dụng hợp lý để phân tích sự phá huỷ phân tán của bê tơng.

Các mơ hình giịn cục bộ như mơ hình Mazars (1984) hồn tồn có thể mơ tả tốt trạng thái
phá huỷ của bê tông giai đoạn này.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


8

Hình 2.1. Các giai đoạn ứng xử của bê tơng dưới tác dụng của tải trọng
Giai đoạn ứng xử mềm của bê tông sau giới hạn phá hoại BC. Hiện tượng tập trung
biến dạng xuất hiện trong bê tông, các đường nứt nhỏ tập trung lại, tạo thành các vùng phá
huỷ tập trung, bê tơng bị mềm hố, độ cứng giảm mạnh. Có sự giao thoa giữa các tiếp cận
phân tích phá huỷ và rạn nứt bê tơng trong giai đoạn này (có thể áp dụng lý thuyết cơ học
phá huỷ hoặc lý thuyết cơ học rạn nứt để phân tích ứng xử của bê tơng).
Giai đoạn nứt bê tơng CD. Sự tập trung biến dạng đủ lớn để tạo ra các đường nứt lớn
trong bê tơng, có thể quan sát được bằng mắt thường. Môi trường bê tông trở nên không
liên tục. Tiếp cận theo cơ học rạn nứt bê tơng để phân tích giai đoạn ứng xử này.
2.1.1.2. Ứng xử chịu kéo một trục

Ứng xử của bê tông dưới tác động kéo của tải trọng trong trường hợp khơng có
cốt thép được thực hiện thơng qua từng bước thí nghiệm. Ngày nay, những thí
nghiệm có thể được thực hiện một cách chính xác thơng qua những máy móc thí
nghiệm mẫu lớn và các kỹ thuật đo đạc cao.

Hình 2.2. Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983)

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


9
2.1.1.3. Ứng xử chịu nén một trục
Bằng việc nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử biến dạng của bê tông dưới tác
dụng của tải trọng nén, có thể quan sát được sự giảm cường độ của bê tông sau khi đạt tới
giá trị lớn nhất. Cũng trong trường hợp này thì ứng xử đo đạc được là ứng xử
của mẫu bê tơng theo chiều gia tải.

Hình 2.3. Thí nghiệm nén mẫu bê tơng hình trụ. a) Đường quạn hệ tải trọng và
chuyển vị; b) ứng xử bê tông vùng sau khi đạt cường độ lớn nhất; c) Phân bố biến
dạng đo được theo chiều cao mẫu thí nghiệm
Hình c mơ tả sự phân bố biến dạng của mẫu trụ có các đường kính khác nhau
trong miền giảm cường độ với khoảng 0,6fc. Trong hình b là các đường thể hiện
quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


10
2.1.1.4. Ứng xử nén ba trục
Dưới tác dụng của tải trọng nén ba trục thì ứng xử biến dạng và ứng xử phá
hoại của bê tông thay đổi phụ thuộc vào cường độ cũng như độ lớn của tải trọng khi
đạt giá trị lớn nhất. Trong biểu đồ trên hình dưới thể hiện đường cong ứng suất biến dạng
từ thí nghiệm theo giá trị tương đối. Các kết quả này là từ thí nghiệm của
Richart, Brandtzaeg và Brown (1928) cho mẫu bê tơng hình trụ với độ mảnh l/d = 2.

Hình 2.4. Bê tơng bị kéo nén ba trục. a) đường quan hệ ứng suất - biến dạng theo
kết quả thí nghiệm của Richart, Brandtzaeg và Brown (1928) đối với mẫu trụ với d=
102mm và l = 203 mm; (b) Kết quả thí nghiệm của Menne (1977) đối với mặt
chảy. d) Ứng xử trong trạng thái ứng suất phẳng

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


11
Vì trong kết cấu bê tơng, nhiều phần tử chịu tải, hoặc vùng kết cấu chịu tải có thể
được lý tưởng hóa theo các kết cấu phẳng, thì ứng xử của bê tông dưới tác dụng của tải
trọng hai trục được đặc biệt chú ý. Hình dưới là kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973).

Hình 2.5. Bê tơng chịu kéo nén 2 trục: a) Các kết quả thí nghiệm của Kupfer (1973), Von
Mier (1986); b) Giới hạn chảy lý tưởng
Tiêu chuẩn phá hủy bê tông
Tiêu chuẩn phá hủy bê tông được sử dụng để dự báo sự phá hủy của phần tử bê tông.
Với cả hai khả năng phá hủy do kéo và phá hủy do nén đều được tính đến. Tiêu chuẩn phá
hủy của của bê tông ở trạng thái chịu áp lực đa trục được thể hiện dưới dạng như sau

F
S 0
fc

(2.1)

Trong đó:
-

F: Hàm ứng suất chính ( xp ,  yp ,  zp )

f c : Độ bền nén đơn trục của bê tông
S: Bề mặt phá hủy được xác định từ năm thông số f t , f c , f cb , f1 , f 2

 xp ,  yp ,  zp : là các ứng suất chính.

GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm


12
Bảng 2.1. Các thông số mô tả ứng xử phá hủy của vật liệu bê tông
ft

Giới hạn phá hủy kéo đơn trục của bê tông

fc

Giới hạn phá hủy nén đơn trục của bê tông

fcb

Giới hạn phá hủy nén song trục của bê tông
Trạng thái ứng suất thủy tĩnh trong điều kiện môi trường xung
quanh
Giới hạn phá hủy nén song trục của bê tơng có xét đến sự tác động
của ứng suất thủy tĩnh

Giới hạn phá hủy nén đơn trục của bê tơng có xét đến sự tác động
của ứng suất thủy tĩnh

f1
f2

Nếu thỏa mãn cơng thức (2.1) thì vật liệu bê tông sẽ phá hủy dưới tác động kéo hoặc
nén.
Bề mặt phá hủy được xác định với tối thiểu là hai hằng số là ft và fc. Ba hằng số khác
cịn lại sẽ được tính như sau (theo Willam và Warnke)
f cb  1.2 f c
f1  1.5 f c

(2.2)

f 2  1.725 f c

Tuy nhiên, các giá trị trong (2.2) chỉ đúng khi đẳng thức sau được thỏa mãn
|  h | 3 f c

Với  h 

(2.3)

1
( xp +  yp ,+ zp )
3

Điều kiện phương trình 2.1 áp dụng cho các trường hợp với thành phần ứng suất thuỷ
tĩnh có giá trị thấp. Tất cả năm thơng số phá hủy cần được xác định trong trường hợp một

thành phần ứng suất thuỷ tĩnh lớn. Nếu điều kiện phương trình 2.1 khơng thỏa mãn và các
hệ số được tính theo cơng thức 2.2 qua cơng thức 2.3 được sử dụng, cường độ của vật liệu
bê tơng có thể được đánh giá khơng chính xác. Khi khả năng phá hủy do nén bị giảm bằng
fc = -1.0, vật liệu sẽ nứt bất cứ khi nào một thành phần ứng suất chính vượt quá f t .
GVHD: PGS. TS. Trương Tích Thiện

HVTH: Bùi Thanh Kiếm