Luận án Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bê tông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp - Lâm Thanh Quang Khải

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 . 7iv

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 . 34v

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 . 68vi

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 bêtông. 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 . 101vii

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 . 125viii

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. 14

198 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 476 | Lượt tải: 1

Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bê tông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp - Lâm Thanh Quang Khải, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

phương  sau đây: Tại điểm (1) lớp I với    : 54                 b n a m nm R a nm v M mn nmmvn v E nnm R a qa m n ck c c          sinsin 112 2 1216 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 22 223 44222 1 2 6 2 1                                     Tại điểm (2) lớp I với (2) 1h                  b n a m nm R a nm v M mn nmmvnh v E nnm R a qa m n c kc c          sinsin 112 2116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 122 223 44222 1 2 6 2 2                                             Tại điểm (3) lớp II với (3) 1h    : (3) (2)s   Tại điểm (4) lớp II với (4) 3h   :                b n a m nm R a nm v M mn nmmvnh v sE nnm R sa qa m n c kc c          sinsin 112 2116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 322 223 44222 1 2 6 2 4                                             Tại điểm (5) lớp III với (5) 3h   : (5) (4)1 s    . Tại điểm (6) lớp III với (6) 0  : 55                b n a m nm R a nm v M mn nmmvn v E nnm R a qa m n kc c          sinsin 112 2116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 22 223 44222 1 2 6 2 6                                           Tại điểm (7) lớp IV với   07  :    67   r Tại điểm (8) lớp IV với (8) 4h  :                b n a m nm R a nm v M mn nmmvnh v rE nnm R ra qa m n c kc c          sinsin 112 2116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 422 223 44222 1 2 6 2 8                                             Tại điểm (9) lớp V với (9) 4h  : (9) (8)u   ; Tại điểm (10) lớp V với (10) 4 5h h   :                b n a m nm R a nm v M mn nmmvnhh v uE nnm R ua qa m n c kc c          sinsin 112 2116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 4222 2 444222 5422 223 44222 1 2 6 2 10                                             Tương tự như trên ta có thể thiết lập các biểu thức ứng suất cho các điểm theo phương  . Ứng suất tiếp được xác định theo các biểu thức sau: Tại điểm (1) lớp I với   1 :   01  Tại điểm (2) lớp I với (2) 1h   56                b n a m nm R a nm v M nmh vv E nm R a qa m n c kc c          coscos 112 21116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 422 2 444 12 232 222 1 2 6 2 2                                            Tại điểm (3) lớp II với (3) 1h    : (3) (2)s   Tại điểm (4) lớp II với (4) 3h   :                b n a m nm R a nm v M nmh vv E nm R a s qa m n c kc c          coscos 112 21116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 422 2 444 32 232 222 1 2 6 2 4                                            Tại điểm (5) lớp III với   35 h :                b n a m nm R a nm v M nmh vv E nm R a qa m n c kc c          coscos 112 21116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 422 2 444 32 232 222 1 2 6 2 5                                            Tại điểm (6) lớp III với (6) 0  :                b n a m nm R a nm v M nm vv E nm R a qa m n kc c          coscos 112 1116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 422 2 444 2 32 222 1 2 6 2 6                           Tại điểm (7) lớp III với (7) 0  : (7) (6)r   ; Tại điểm (8) lớp IV với (8) 4h  : 57                b n a m nm R a nm v M nmh vv E nm R a r qa m n c kc c          coscos 112 21116 ...3.1 ...3,1 2222 2 1 4 4 422 2 444 42 232 222 1 2 6 2 8                                            Tại điểm (9) lớp V với (9) 4h  : (9) (8)u   Tại điểm (10) lớp V với (10) 4 5h h   : (10) 0  Ví dụ 2.2: Mái vỏ thoải cong hai chiều dương BTCT mặt bằng hình vuông a=b=36m, R1=R2=45m, gồm có 5 lớp như sau: lớp 1 (dưới cùng) bêtông B25 dày h1=3cm, 2 1 /315000 cmkGE  ; lớp 2 dày h2=19cm, 2 2 /141750 cmkGE  ; lớp 3 bêtông B25 dày h3=3cm, 2 3 /315000 cmkGE  ; lớp 4 bêtông B20 dày h4=5cm, 2 4 /264915 cmkGE  ; lớp 5 (trên cùng) bêtông B5 có chiều dày h5=2cm, 2 5 /10710 cmkGE  . Hệ số Poisson bằng nhau v=0.2. Tải trọng, kể cả trọng lượng bản thân và hoạt tải trên mái lấy bằng 500kG/m2. Tính nội lực và ứng suất của mái vỏ thoải với biên là hệ dàn khớp. Giải: Ta có sơ đồ chiều dày lớp của mái vỏ thoải 5 lớp: Hình 2.19. Sơ đồ chiều dày lớp của mái vỏ thoải 5 lớp 58 Ta qui chiều dày các lớp về cùng một mô đun đàn hồi E của lớp 1. Tổng chiều dày quy đổi: cmh E E h E E hh E E hh bred 823.185 1 5 4 1 4 32 1 2 1,  Hình 2.20. Biểu đồ nội lực và ứng suất vỏ 5 lớp biên khớp theo giải tích [68] b). Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 * Xây dựng mô hình kết cấu mái vỏ thoải Dựa theo giả thuyết các lớp của kết cấu mái dính chặt nhau của Ambarsumia và quy đổi vỏ nhiều lớp có tính chất mô đun đàn hồi E và chiều dày khác nhau thành vỏ có cùng một mô đun đàn hồi tương đương ứng với 59 các giá trị chiều dày tương đương cho từng lớp và tạo mô hình kết cấu mặt vỏ bằng phần tử Shell 4 nút (324 phần tử) Theo (ví dụ 2.2), ta qui chiều dày các lớp về cùng một mô đun đàn hồi E của lớp 1. Tổng chiều dày quy đổi: cmh E E h E E hh E E hh bred 823.185 1 5 4 1 4 32 1 2 1,  * Kết quả giải bằng phần mềm Sap2000 a) Nội lực N (kG/cm) b) Nội lực N (kG/cm) c) Ứng suất  (kG/cm2) d) Độ võng w (mm) Hình 2.21. Nội lực, ứng suất và độ võng vỏ 5 lớp biên khớp theo Sap2000 60 Hình 2.22. Biểu đồ nội lực vỏ 5 lớp biên khớp theo giải tích và Sap2000 ghi chú: - nét đỏ: theo lời giải giải tích [68] - nét xanh: theo lời giải Sap2000 Bảng 2.4. Kết quả N và N vỏ 5 lớp biên khớp bằng giải tích và Sap2000  (m)  (m) N (kG/cm)  (m)  (m) N (kG/cm) Giải tích [68] SAP So sánh (%) Giải tích [68] SAP So sánh (%) 18 0 0 0 0 0 18 0 0 0 14.4 0 -104 -152 46 0 14.4 -53 -46 -13 10.8 0 -136 -155 13 0 10.8 -95 -77 -18 7.2 0 -125 -123 -1.6 0 7.2 -125 -100 -20 3.6 0 -107 -113 5.6 0 3.6 -142 -110 -22 0 0 -99 -111 12 0 0 -147 -111 -24 61 Nhận xét: - Biểu đồ N (vị trí cách biên 3.6m) thì có giá trị chênh lệch đến 46% và giải bằng Sap2000 có giá trị cao hơn so với giải bằng giải tích, và chênh lệch này là do dùng phần tử shell 4 nút. So với vỏ 2 lớp (Hình 2.18), vỏ 5 lớp (Hình 2.22) thì giá trị N có “xu thế chuyển dần về biên và chênh lệch ngày càng nhiều khi số lớp tăng lên”. - Biểu đồ N tại đỉnh vỏ có giá trị chênh lệch 24% và giải bằng Sap2000 có giá trị thấp hơn so với giải bằng giải tích. So với vỏ 2 lớp (Hình 2.18), vỏ 5 lớp (Hình 2.22) thì giá trị N có “xu thế chuyển dần về giữa vỏ và chênh lệch ngày càng ít khi số lớp tăng lên”.  Giá trị N có “xu thế chuyển dần về biên và chênh lệch ngày càng nhiều khi số lớp tăng lên”, giá trị N có “xu thế chuyển dần về giữa vỏ và chênh lệch ngày càng ít khi số lớp tăng lên”. Cho thấy: “sự phân phối ứng suất của vỏ nhiều lớp tùy thuộc vào số lớp và mô đun đàn hồi của từng lớp”, đây là những điểm mà chưa được đánh giá rõ ràng trong mái vỏ thoải nhiều lớp bằng BTCT. 2.4.2.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải 5 lớp với điều kiện biên ngàm a). Lời giải giải tích Nếu với liên kết ngàm thì điều kiện biên không còn thỏa mãn, vì khi: khi a  ,0 thì owN    khi b  ,0 thì owN    62 Ở đây:  ,  là góc xoay tại liên kết ngàm mà chúng có thể được xác định:      w ,      w . Như vậy trong phương pháp giải tích, việc dùng hàm chuỗi lượng giác kép sin , sin không còn phù hợp. Trong trường hợp này phương pháp PTHH với việc dùng phần mềm Sap2000 cho phép giải quyết bài toán có điều kiện biên phức tạp hơn. b). Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 * Xây dựng mô hình kết cấu mái vỏ thoải Mái vỏ thoải 5 lớp điều kiện biên ngàm được sử dụng thông số như áp dụng mái vỏ 5 lớp biên khớp (ví dụ 2.2). Sơ đồ kết cấu mái vỏ thoải theo điều kiện biên liên kết ngàm (kết cấu biên là tường cứng bằng BTCT): Trên các biên không chuyển vị theo phương 0x, 0y, 0z (Hình 2.23) Hình 2.23. Kết cấu mái vỏ thoải theo điều kiện biên liên kết ngàm 63 * Kết quả giải bằng phần mềm Sap2000 a) Nội lực N (kG/cm) b) Nội lực N (kG/cm) c) Ứng suất  (kG/cm2) d) Độ võng w (mm) Hình 2.24. Nội lực, ứng suất và độ võng vỏ 5 lớp biên ngàm theo Sap2000 64 Hình 2.25. Biểu đồ nội lực, ứng suất và độ võng vỏ 5 lớp biên ngàm theo Sap2000 Nhận xét: Nội lực N tại vị trí gần biên với điều kiện biên ngàm thì nhỏ hơn so với điều kiện biên khớp, còn nội lực N thì lớn hơn so với điều kiện biên khớp. Kết quả cho thấy ảnh hưởng bởi các điều kiện biên của vỏ rất lớn. 2.5. Nhận xét Trong chương 2, luận án đã trình bày lý thuyết tính cơ bản về mái vỏ thoải bêtông cốt thép (BTCT) cong hai chiều dương một lớp và nhiều lớp, trình bày một lời giải giải tích và một lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) thông qua phần mềm Sap2000 theo lý thuyết vỏ một lớp tương đương để xác định ứng suất biến dạng trong vỏ, dùng lời giải của phần mềm Sap2000 để so sánh với lời giải giải tích. 65 Qua các giá trị nội lực và ứng suất trong vỏ cho thấy: “sự phân phối ứng suất của vỏ nhiều lớp tùy thuộc vào số lớp và mô đun đàn hồi của từng lớp”. Kết quả nội lực, ứng suất và độ võng theo lời giải giải tích và theo lời giải Sap2000 phù hợp nhau nên có thể sử dụng theo lý thuyết vỏ một lớp tương đương để xác định ứng suất biến dạng trong vỏ với tải trọng phù hợp. Để sử dụng được lý thuyết vỏ một lớp tương đương thì các lớp trong vỏ không trượt lên nhau hay có trượt nhưng nằm trong giới hạn cho phép. Vì vậy trong chương 3 và chương 4, luận án sẽ tiếp tục làm rõ trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bằng thực nghiệm và mô phỏng số để làm sáng tỏ khả năng tách trượt giữa các lớp mái vỏ để khẳng định việc sử dụng lý thuyết vỏ một lớp tương đương đến giai đoạn nào của tải trọng. 66 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP HAI LỚP BẰNG THỰC NGHIỆM Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bêtông cốt thép nhiều lớp đã được trình bày ở chương 2 bằng phương pháp giải tích và bằng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Sap2000 dựa trên cơ sở lý thuyết vỏ một lớp tương đương với tải trọng phù hợp. Trong chương 3 này, luận án sẽ đưa ra các kết quả nghiên cứu thực nghiệm về trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải hai lớp và xem xét khả năng tách trượt giữa các lớp vỏ. Kết quả thực nghiệm được so sánh với lời giải Sap2000 theo lý thuyết vỏ một lớp tương đương để xem xét sử dụng phương pháp tính phù hợp cho bài toán mái vỏ thoải cong hai chiều dương hai lớp. Đây là bước tiếp theo để xem xét bằng thực nghiệm để sử dụng lý thuyết vỏ một lớp tương đương trong tính toán vỏ nhiều lớp ở cấp tải trọng giới hạn. 3.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm 3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm Như đã trình bày ở mục 1.3 trong chương 1, mục tiêu của chương trình thí nghiệm gồm: a) Khảo sát khả năng cùng làm việc của 2 lớp bêtông có cấp độ bền khác nhau với các đặc trưng cơ lý khác nhau, không đổ cùng một lúc, phương pháp chế tạo cũng như đặt cốt thép khác nhau. 67 b) Xây dựng biểu đồ biến dạng x  , y  của từng lớp vỏ, với tải trọng lượng bản thân và hoạt tải trên mái lấy bằng 500kG/m2 c) Xây dựng biểu đồ ứng suất x, y của từng lớp vỏ, với tải trọng lượng bản thân và hoạt tải trên mái lấy bằng 500kG/m2 d) Xây dựng biểu đồ nội lực Nx, Ny với tải trọng lượng bản thân và hoạt tải trên mái lấy bằng 500kG/m2 e) Xây dựng quan hệ tải trọng - biến dạng trượt của vỏ f) Xây dựng biểu đồ độ võng của vỏ. Để đạt được mục tiêu (a) thì bố trí 2 lớp bêtông khác nhau, đó là lớp bêtông cốt sợi kim loại phân tán (BTS) và lớp bêtông thường (BTT), thời gian đổ lớp bêtông sau phải cách ít nhất 48 giờ so với lớp bêtông trước với cường độ của 2 lớp bêtông khác. Để đạt mục tiêu (e) thì phải đo các giá trị biến dạng trượt giữa 2 lớp bêtông, tải trọng tăng dần từ không đến khi vượt tải trọng lượng bản thân và hoạt tải trên mái. Để đạt được mục tiêu (b), (c) và (d) thì phải đo các giá trị biến dạng với tải trọng P=500kG/m2, từ đó xác định ứng suất và nội lực vỏ. Để đạt được mục tiêu (f) thì phải đo các giá trị tải trọng tác dụng và độ võng của vỏ. 3.1.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm Gồm các nội dung chính như sau:  Thiết kế thí nghiệm, gồm:  Thiết lập mô hình thí nghiệm. 68  Mô phỏng sơ bộ vỏ để dự đoán ứng suất-biến dạng của vỏ trước khi tiến hành thí nghiệm nhằm đáp ứng các mục tiêu đã đề ra.  Thiết kế mái vỏ thoải thí nghiệm.  Tiến hành thí nghiệm, gồm:  Thí nghiệm vật liệu.  Thí nghiệm mái vỏ thoải.  Đánh giá và xử lý kết quả thí nghiệm, gồm:  Xây dựng các các biểu đồ: biến dạng, ứng suất, nội lực, độ võng, quan hệ tải trọng - biến dạng trượt trong vỏ 2 lớp  Đánh giá và xử lý kết quả thí nghiệm, kết quả thí nghiệm được kiểm chứng với lời giải Sap2000. 3.2. Cơ sở thiết kế mẫu và mô hình thí nghiệm 3.2.1. Cơ sở thiết kế mẫu Từ lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án, với các loại mái vỏ mỏng bằng bêtông cốt thép được sử dụng tại Việt Nam thì có lớp bêtông chống thấm, lớp cách nhiệt bên trên mái vỏ. Hay trong gia cố sửa chữa mái vỏ ta đổ thêm lớp bêtông bên trên vỏ tạo nên kết cấu mái vỏ nhiều lớp bằng bêtông cốt thép. Hiện tại ở nước ta thì vật liệu bêtông cốt sợi kim loại chưa được sử dụng phổ biến, đặc biệt trong mái vỏ mà trong gia cố sửa chữa mái vỏ thì vật liệu này có nhiều tính năng ưu việt hơn các loại bêtông cốt thép thông thường khác. 69 Trong các nghiên cứu lý thuyết [26][66][68] thì giả thiết các lớp trong mái vỏ dính chặt nhau mà chưa nói rõ cho trường hợp kết cấu biên nào? tải trọng giới hạn bao nhiêu?... Trong nghiên cứu thực nghiệm về loại mái vỏ thoải cong hai chiều bằng bêtông cốt thép hai lớp nói riêng hay nhiều lớp nói chung chưa được nghiên cứu nhiều. Với mái vỏ thoải cong hai chiều dương thì các giá trị ứng suất, biến dạng, nội lực...của vỏ phụ thuộc rất nhiều vào kết cấu biên của vỏ [9][15] [21]...xem hình: (Hình 2.4), (Hình 2.6), (Hình 2.8) hay trong các thí nghiệm vỏ thoải của các tác giả ở (Hình 1.1) đến (Hình 1.5). Do mái vỏ thoải cong hai chiều là dạng kết cấu không gian nhịp lớn, thường nhịp trên 30m, nên trong thí nghiệm rất khó tạo mô hình thật bằng BTCT với nhịp như vậy. Mục đích của việc thí nghiệm là thực hiện trên mô hình thật mà không đưa vật liệu thật về vật liệu tương tự. Do đó cần chế tạo mẫu không quá cứng hoặc quá mềm, đủ khả năng phản ứng nhạy cảm với tải trọng được chất lên. 3.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm cho luận án * Mô hình vỏ 33m trên Sap2000 với tải trọng P=500kG/m2: Hình 3.1. Mô hình vỏ 33m trên Sap2000 70 Bảng 3.1: Kết quả ứng suất và độ võng vỏ 33m trên Sap2000 Vị trí Ứng suất (kG/cm2) Độ võng (mm) Đỉnh vỏ 2.17 0.074 Trên cơ sở các phân tích trên đây, việc thiết kế mô hình thí nghiệm mái vỏ thoải cong hai chiều dương hai lớp bằng BTCT như sau: - Do mô hình mái vỏ bằng BTCT tương đối lớn cũng như cách tạo hình và thí nghiệm cho mái vỏ nhiều lớp phức tạp và tốn nhiều thời gian, qua phần mềm Sap2000 cho thấy với kích thước mặt bằng 33m thì mẫu đủ khả năng phản ứng nhạy cảm với tải trọng được chất lên. Vì vậy chương này sẽ nghiên cứu thực nghiệm trên một mô hình thật với kích thước mặt bằng 33m. - Trong điều kiện sử dụng mái vỏ tại Việt Nam thì lớp bên dưới mái vỏ là lớp chịu lực chính, các lớp bêtông chống thấm, cách nhiệt có cấp độ bền thấp hơn nằm bên trên vỏ. Do đó bố trí lớp BTS xem như lớp có cường độ cao hơn nằm dưới lớp BTT có cường độ thấp hơn. Trong trường hợp sửa chữa vỏ sẽ được nghiên cứu trong mô phỏng số với lớp BTS nằm trên lớp bêtông thường. - Nghiên cứu được thực hiện với điều kiện biên ngàm cứng vì đảm bảo điều kiện 3 b d h h - Qua các nghiên cứu trên dầm với 2 loại bêtông khác nhau [20][41][42] [43][44][58], ta chọn cấp độ bền cho các lớp vỏ như sau: lớp BTS B30 (M400), BTT B20 (M250), nhằm tạo chênh lệch cường độ giữa 2 lớp vật liệu khác nhau. 71 3.2.3. Các tiêu chuẩn thiết kế - Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bêtông cốt thép TCVN 5574-2012 [6] - Tiêu chuẩn kết cấu bêtông cốt sợi thép của Nga: СП 52-104-2009, СТAЛЕФИБРОБЕТОННЫЕ КОРСТРУКЦИИ, Москва, 2010 [70] - Kết cấu bêtông cốt sợi thép - Tiêu chuẩn thiết kế, Hà Nội-2016 (dự thảo của Bộ xây dựng) [7] 3.3. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm 3.3.1. Vật liệu Vật liệu được sử dụng để chế tạo mẫu là: - Xi măng Vicem Bỉm Sơn PCB40, đáp ứng TCVN 6260-2009 [4], TCVN 6067-2004 [3] - Bêtông cấp độ bền B20 (M250) cho lớp bêtông thường và B30 (M400) cho lớp bêtông cốt sợi kim loại. - Đá (Dmax = 10mm, hàm lượng lọt sàn 0.14: 10-20%), cát vàng (cỡ hạt 1.5-5mm) - Sợi thép (0.5-L30mm): sợi thép đáp ứng tiêu chuẩn ASTM A820-01 [23], tỷ lệ hướng sợi từ 50 đến 100 đáp ứng ACI 544.1R-1996 [22] Hình 3.2. Sợi thép 0.5 - L30mm trong thí nghiệm 72 3.3.2. Mẫu thí nghiệm Thiết kế một mái vỏ thoải kích thước mặt bằng 33m với lớp 1 (lớp dưới) là lớp BTS B30 dày 2cm với hàm lượng sợi trong bêtông là 2%, lớp 2 (lớp trên) là lớp BTT B20 dày 3cm. Dầm cong biên tiết diện không đổi 1520cm và được liên kết 4 đầu cột bằng 4 đoạn thép 14 để tăng độ cứng cho dầm cong biên, chiều dày vỏ là 5cm nên điều kiện biên là liên kết ngàm cứng (Hình 3.3a). Do điều kiện thi công nên với kích thước vỏ 33m không thể tạo chiều dày vỏ mỏng hơn. Về độ dày cho phép của vỏ thì tài liệu [66,pp13] là 1.0 60 1 300 5   a h với h là chiều dày vỏ, a là cạnh ngắn kích thước mặt bằng vỏ. Vậy đây là loại vỏ có kích thước nhỏ, đảm bảo điều kiện làm việc bình thường nên trong thí nghiệm không cần đưa về tỉ lệ mô hình và vỏ này trong phân tích ANSYS cũng phản ứng nhạy cảm với tải trọng được chất lên. Tại vị trí biên của vỏ: đặt các đoạn thép 6a300 L300 là các gân gia cường cục bộ, gân gia cường chỉ ở biên, bố trí 2 lớp. Mục đích chống lại sự phá hoại sớm tại biên vỏ trong quá trình chất tải và sử dụng vỏ. Đặt 99=81 chốt thép thẳng 6L35 a(300300mm) liên kết giữa 2 lớp vỏ. Việc đặt các chốt nhằm mục đích tăng sự gắn kết của các lớp vỏ trong việc gia cường và chống lại sự co ngót của bêtông và ảnh hưởng của môi trường trong quá trình sử dụng vỏ (Hình 3.3b). 73 a) Kích thước mẫu thí nghiệm b) Bố trí thép gia cường biên và các chốt trong mẫu Hình 3.3. Thiết kế mái vỏ thoải 33m thí nghiệm 74 3.3.3. Mục đích, loại và vị trí dán strain gage - Mục đích dán strain gage (tenzomet điện trở): đo biến dạng  trên bề mặt bêtông và trên cốt thép trong từng lớp, từ đó xác định được ứng suất và nội lực tại các vị trí dán. - Loại strain gage và thiết bị đo biến dạng: do dán trên bề mặt bêtông và trên thép 6, sử dụng bêtông cốt liệu nhỏ (đá 0.51cm) nên sử dụng strain gage loại BX120-30AA, dạng lá dài 30mm, rộng 3mm, điện trở Rgage=120, hệ số gage=2.081%. Sử dụng thiết bị đo biến dạng strain gage là Data loger TDS-530 (30 kênh), Data loger TDS-601 (10 kênh) của Viện KHCN xây dựng IBST và Strain Indicator P-3500, bộ chuyển kênh SB10 (10 kênh). - Vị trí dán strain gage: từ kết quả tính toán sơ bộ và kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS R16, xem (Hình 3.12) - Phương pháp dán: [48]: + Mài nhẹ cho phẳng và làm sạch bề mặt thép hoặc bêtông tại vị trí cần dán strain gage + Bôi keo dán chuyên dụng vào một mặt strain gage và dán vào vị trí đã mài nhẹ. Quấn nhiều lớp băng dính cách điện vào vị trí đã dán (trên thép trong bêtông của từng lớp nhằm bảo vệ strain gage trong quá trình đổ bêtông) + Đối với mặt trên của vỏ, do phải gia tải sẽ ảnh hưởng lớn đến strain gage nên dùng các ống nhựa cứng bảo vệ và sử dụng lớp cát đệm. + Cố định dây điện trở, tránh di động dây dẫn khi thí nghiệm. 75 a) Mài nhẵn vị trí cần dán b) Quấn băng dính bảo vệ strain gage trên thép c) Dùng ống nhựa cứng và cát đệm d) Dán strain gage dưới vỏ bảo vệ strain gage mặt vỏ Hình 3.4. Phương pháp dán và bảo vệ strain gage lên vỏ 3.3.4. Chế tạo mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm được chế tạo tại Phòng thí nghiệm công trình – Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội. Thời gian từ ngày 15/12/2016 đến ngày 6/3/2017. Các bước thực hiện như sau: - Bước 1: gia công ván khuôn theo đúng hình dạng mái vỏ thoải cong hai chiều dương, đây là bước quan trọng nhất vì ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thí nghiệm, gia công cốt thép dầm biên, cốt thép gia cường biên, dán strain gage lên thép giữa và quét dầu chống dính ván khuôn. Strain gage được hàn chì với dây dẫn điện có chống nhiễu nhằm hạn chế các sai số khi đọc số liệu 76 đo, dây dẫn điện được quấn gọn và dùng túi nhựa bọc dây điện để tránh làm hư hỏng khi thi công bêtông. Ký hiệu tên của strain gage vào cuối dây diện để khi lắp vào thiết bị đọc không bị nhằm lẫn. a) Gia công ván khuôn, cốt thép b) dán strain gage lên thép lớp 1 Hình 3.5. Gia công ván khuôn, cốt thép và dán strain gage - Bước 2: đổ bêtông lớp 1, là bêtông sợi thép với hàm lượng sợi thép trong bêtông là 2%, B30, dày 2cm, độ sụt 9cm, sau khi đổ xong lớp 1 tiến hành cắm 99=81 chốt thép thẳng 6 dài 35mm với khoảng cách a(300300) mm theo đúng vị trí thiết kế. Khi đổ bêtông tránh đầm mạnh những chỗ có dán strain gage, để đảm bảo bề dày lớp 2cm ta đầm bêtông thật kỹ nhằm tránh lổ rỗng và có thước thép đo từng vị trí, vì bề dày vỏ không chính xác sẽ ảnh hưởng đến kết quả ứng suất trong vỏ. Để xác định các đặc trưng cơ học của bêtông, đúc 12 mẫu lập phương 150150150mm với 6 mẫu dùng xác định cường độ chịu nén của bêtông ở 28 ngày tuổi và 6 mẫu dùng xác định cường độ chịu nén thực tế của bêtông ứng với ngày thí nghiệm, đúc 3 mẫu 150150600mm dùng để xác định mô đun đàn hồi và ứng suất biến dạng của bêtông ở 28 ngày tuổi. 77 a) Kiểm tra độ sụt của bêtông b) Đổ bêtông lớp 1 c) Cắm các chốt thép d) Lấy mẫu 150150150mm Hình 3.6. Đổ bêtông sợi lớp 1 - Bước 3: tiếp tục gia công cốt thép gia cường biên, dán strain gage lên thép giữa, strain gage được hàn với dây điện chống nhiễu và dẫn ra khỏi vị trí vỏ (Hình 3.7a), ký hiệu tên strain gage cuối dây diện, đổ bêtông thường lớp 2, B20, dày 3cm, độ sụt 9cm, lớp 2 được đổ sau 48 giờ so với lớp 1, đúc 12 mẫu lập phương 150150150mm, đúc 3 mẫu 150150600mm. 78 a) Gia công thép biên, dán strain gage b) Đổ bêtông lớp 2 Hình 3.7. Đổ bêtông thường lớp 2 3.3.5. Bảo dưỡng mẫu: theo TCVN 8828-2011 [5] Sau khi đổ bêtông được hai giờ, dùng bao ẩm phủ bề mặt và tưới nước giữ ẩm liên tục cho mái vỏ. Dừng bảo dưỡng mẫu trước 48 giờ để tạo bề mặt khô ráo để dễ dàng thí nghiệm. Qui trình bảo dưỡng mẫu 150150150mm và 150150600mm tương tự như bảo dưỡng mẫu mái vỏ. 3.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của bêtông được tiến hành tại phòng thí nghiệm công trình – Trường Đại học Kiến Trúc HN (LAS-256) 3.4.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bêtông - Tiêu chuẩn thí nghiệm: TCVN 3118-1993 [1] - Mục đích thí nghiệm: đo lực phá hoại mẫu để xác định cường độ chịu nén của bêtông ở

Các file đính kèm theo tài liệu này:

luan_an_nghien_cuu_trang_thai_ung_suat_bien_dang_cua_mai_vo.pdf