Luận văn thạc sĩ mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

• Tác giả: Lê Quang Trực
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Tích Thiện
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải va chạm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Long An

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép

Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải va chạm là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Bê tông cốt thép là vật liệu chủ yếu trong xây dựng cầu, nhưng nó cũng phải đối mặt với nhiều thách thức từ tải trọng va chạm. Việc hiểu rõ về ứng xử của nó dưới tác động này giúp cải thiện thiết kế và bảo vệ kết cấu. Nghiên cứu này không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại mà còn nâng cao độ bền cho các công trình.

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của mô phỏng ứng xử cơ học

Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến là quá trình sử dụng các phương pháp số để dự đoán hành vi của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải trọng va chạm. Điều này rất quan trọng trong việc thiết kế các biện pháp bảo vệ hiệu quả cho các công trình cầu.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép như loại vật liệu, cấu trúc thiết kế, và điều kiện môi trường. Việc phân tích các yếu tố này giúp tối ưu hóa thiết kế và nâng cao khả năng chịu lực của kết cấu.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng ứng xử bê tông cốt thép dưới tải va chạm

Mô phỏng ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải va chạm gặp nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của mô hình, sự phức tạp trong tính toán và khả năng dự đoán hành vi của vật liệu là những yếu tố cần được xem xét. Những thách thức này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải phát triển các phương pháp mô phỏng tiên tiến hơn.

2.1. Độ chính xác của mô hình mô phỏng

Độ chính xác của mô hình mô phỏng phụ thuộc vào việc lựa chọn các thông số vật liệu và điều kiện biên. Việc xác định chính xác các thông số này là rất quan trọng để có được kết quả mô phỏng đáng tin cậy.

2.2. Sự phức tạp trong tính toán

Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến yêu cầu tính toán phức tạp, đặc biệt khi xử lý các tình huống va chạm. Các phương pháp số như phần tử hữu hạn cần được áp dụng một cách hiệu quả để giải quyết các bài toán này.

III. Phương pháp mô phỏng ứng xử cơ học bê tông cốt thép dưới tải va chạm

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp chính được sử dụng để mô phỏng ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các vùng chịu tải và xác định các điểm yếu trong kết cấu. Việc áp dụng phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán hành vi của kết cấu dưới tải va chạm.

3.1. Nguyên lý của phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn chia nhỏ kết cấu thành các phần tử nhỏ hơn, từ đó dễ dàng tính toán ứng suất và biến dạng. Nguyên lý này giúp mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng phi tuyến trong kết cấu bê tông cốt thép.

3.2. Các bước thực hiện mô phỏng

Các bước thực hiện mô phỏng bao gồm xây dựng mô hình, nhập thông số vật liệu, chia lưới mô hình và thiết lập điều kiện biên. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô phỏng ứng xử bê tông cốt thép

Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép có nhiều ứng dụng thực tiễn trong thiết kế và bảo trì cầu. Kết quả mô phỏng giúp các kỹ sư xác định các vùng yếu và đề xuất các biện pháp gia cố hiệu quả. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ bền cho các công trình.

4.1. Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

Phân tích kết quả mô phỏng cho phép đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu. Các kỹ sư có thể sử dụng thông tin này để điều chỉnh thiết kế và cải thiện độ an toàn cho công trình.

4.2. Đề xuất biện pháp gia cố kết cấu

Dựa trên kết quả mô phỏng, các biện pháp gia cố có thể được đề xuất để tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu. Việc này giúp giảm thiểu thiệt hại do va chạm và kéo dài tuổi thọ cho công trình.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu mô phỏng

Nghiên cứu mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tải va chạm là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn mở ra hướng phát triển mới cho các phương pháp mô phỏng. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các mô hình chính xác hơn và ứng dụng công nghệ mới trong mô phỏng.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình và phát triển các phương pháp mới. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong việc bảo vệ kết cấu bê tông cốt thép.

5.2. Hướng phát triển công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng đang phát triển nhanh chóng, và việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể giúp cải thiện khả năng dự đoán và phân tích ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới thiệu đề tài Bê tông cốt thép đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng trong xây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân như trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu địa phương, khả năng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu kiện theo yêu cầu, ít phải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn… Tuy nhiên, trên thực tế rất nhiều kết cấu bê tông cốt thép như trụ cầu thường xuyên chịu sự va đập trong quá trình đưa vào sử dụng. Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái.

Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh [11], hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước. Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số có thể lên đến 800 tỷ đồng Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với trụ cầu bê tông cốt thép, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm. Do vậy, bài toán va chạm bê tông cốt thép đã trở thành bài toán phổ biến và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi bởi sự cần thiết trong những vấn đề dự đoán, tính toán thiệt hại của những tai nạn, từ đó giúp ta tìm được phương pháp tối ưu để giảm thiểu những thiệt hại đáng tiếc xảy ra. Và các nhà khoa học đã góp phần tìm ra lời giải cho bài toán trên thông qua các lý thuyết và thuật toán khác nhau.

Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép khi có tác dụng của tải va chạm sẽ được tính toán mô phỏng bởi phương pháp phần tử hữu 2 hạn, một trong những phương pháp số rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều bài toán kỹ thuật phức tạp. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Trên thế giới Tháng 6 năm 2008, hai tác giả Peng Yuan và Issam E. Hark đã xuất bản báo cáo nghiên cứu cho Trung tâm giao thông vận tải ở Kentucky.

Hai bài nghiên cứu với tựa đề “Multi-barge flotilla impact forces on bridges” và “Equivalent barge and flotilla impact forces on bridge piers”. Sau vụ va chạm giữa sà lan vào trụ cầu “The Queen Isabella Causeway”, đây là động lực để tác giả tiến hành nghiên cứu bài toán va chạm. Thông qua phương pháp AASHTO và kết quả mô phỏng tác giả đã đề xuất ra phương pháp tính va chạm nhằm mang lại độ tin cậy. Consolazio và Ronald A.

Cook xuất bản bài nghiên cứu sự khả thi về va chạm giữa cầu và sà lan JH với tựa đề “Barge Impact Testing of the St. George Island Causeway Bridge”. Florida là một tiểu bang ở đông nam bộ của Hợp chúng quốc Hoa Kỳ, về mặt địa lý, phần lớn lãnh thổ Florida là một bán đảo nằm giữa vịnh Mexico, Đại Tây Dương, và eo biển Florida. Để thuận tiện cho việc di chuyển cây cầu “Saint George Island Causeway Bridge” được xây dựng vào năm 2002, cầu được thiết kế bởi đại học Florida.

Nhận thấy được tầm quan trọng của cây cầu nên hai tác giả đã tiến hành tính toán va chạm giữa trụ cầu với sà lan JH. Trong nước Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng 07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch Đằng (Hải Phòng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngoài ra vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái. Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh, hai cây cầu đều là tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước.

Theo báo cáo của Công đoàn ngành đường sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số 3 có thể lên đến 800 tỷ đồng. Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ với cầu, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va chạm. Ở nước ta, đã có nhiều bài nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu trước các hiện tượng va chạm, nhưng còn mặt nhiều hạn chế để đưa vào áp dụng. Tháng 6 năm 2016, TS.

Lê Quốc Tiến (trường Đại học Hàng hải Việt Nam) đã có bài báo đăng trên trang tạp chí giao thông với tựa đề “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ cầu trước va chạm với phương tiện thuỷ”. Bài báo nêu thực trạng của sự va chạm trong và ngoài nước những năm 1960 trở lại đây, điểm nhấn trong bài báo tác giả muốn xác định lực va chạm và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này, từ đó tác giả đã đưa ra một số biện pháp bảo vệ cầu. Bên cạnh đó, TS. Nguyễn Xuân Toản và Nguyễn Đức Hoàng đã phân tích va chạm qua bài báo “Phân tích va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn thành phố Đà Nẵng”.

Bằng việc kết hợp hai bài toán cơ bản, bài toán va chạm và bài toán dao động kết cấu, tác giả đã xử lý và phân tích được hiệu ứng va chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn. Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu 1. Kết cấu sà lan Sà lan (từ gốc tiếng Pháp là Chaland) là một thuyền có đáy bằng, một phương tiện dùng để chở các hàng hoá nặng di chuyển chủ yếu ở các con kênh hoặc các con sông. Hiện nay, có hai loại Sà lan:  Sà lan thông thường: loại này không thể tự di chuyển mà chúng phải được kéo hoặc đẩy bằng một tàu kéo.

 Sà lan tự hành: loại này có thể tự di chuyển mà không cần tàu kéo. Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông [nguồn: internet] 4 Vận tải hàng hoá không còn xa lạ đối với mọi người, với các doanh nghiệp. Cùng sự phát triển của đất nước thì nhu cầu vận chuyển ngày càng nhiều, không chỉ bằng đường bộ mà đường thuỷ và hàng không cũng đang được mở rộng. Đối với khu vực phía Nam của nước ta, Đồng Bằng Sông Cửu Long được thiên nhiên ưu đãi về hệ thống sông ngòi, điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển mô hình giao thông đường thuỷ.

Trong nhiều loại phương tiện đường thuỷ, sà lan đang được sử dụng nhiều vì có khả năng đáp ứng vận chuyển an toàn hàng hoá với quy mô lớn, đảm bảo chất lượng hàng hoá sau khi xuất xưởng đến nơi tiêu thụ, giảm hao hụt mất mát, giảm thiểu rủi ro, rút ngắn thời gian lưu thông hàng hoá, giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh của Doanh nghiệp. Ngoài ra về mặt xã hội vận tải bằng sà lan còn góp phần giảm ách tắc giao thông đường bộ, tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng giao thông đường bộ. Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu [nguồn: internet] Sà lan có thể chuyên chở các mặt hàng sau:  Vận tải hàng vật liệu xây dựng: xi măng, ống nước, gạch, cát, đá, sắt thép,…  Vận tải hàng nông sản: gạo, bắp, bột mỳ, rau củ,…  Vận tải hàng sản xuất công nghiệp: dệt vải, bao bì, thức ăn gia súc, máy móc thiết bị,…  Vận tải hàng xuất nhập khẩu. Kết cấu trụ cầu Cầu là một phương tiện nổi nối liền hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di chuyển giữa các vị trí được dễ dàng.

Ngoài ra, cầu là một công trình giao thông được bắt qua các chướng ngại nước như: dòng sông, hồ, biển, thung lũng, đường bộ, đường sắt,…đảm bảo cho giao thông được liên tục. Ngày nay, các loại cầu đã được cải tiến và 5 phát triển để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống. Độ khó trong xây dựng cầu nằm tại kết cấu, nên việc thiết kế kết cấu cầu vẫn chủ yếu do các kỹ sư xây dựng thực hiện mà ít có đóng góp của kiến trúc sư. Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp [nguồn: internet] Cấu tạo của một cây cầu thường là: kết cấu nhịp, mố cầu, trụ cầu, móng cầu, gối cầu, phụ kiện,.

Tuy nhiên trong đề tài này chỉ xét đối tượng trụ cầu. Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet] Các thành phần cơ bản của cây cầu  Kết cấu nhịp. Bộ phận giữa hai mố cầu để cho kết cấu nhịp tựa lên gọi là trụ cầu. Do nhiều yêu cầu về kinh tế và kỹ thuật nên chiều dài kết cấu nhịp không thể quá dài.

Để vượt được 6 khoảng cách lớn yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian đó là trụ cầu, trụ cầu truyền tải từ kết cấu nhịp xuống móng công trình. Đối với loại cầu dây văng hoặc cầu treo thì trụ cầu thường được làm cao hẳn hơn bản mặt cầu, để treo, neo dây cáp chịu lực, gọi là trụ tháp. Trụ cầu có tác dụng phân chia nhịp, truyền phản lực gối từ hai đầu kết cấu nhịp, hình dáng trụ cầu đối xứng theo phương dọc và ngang cầu. Ngoài ra chúng phải đảm bảo các yêu cầu về: mỹ quan, va xô tàu thuyền, tác động của dòng chảy,….

Trụ cầu thường có hai dạng chính:  Trụ dẻo thường sẽ có hai dạng: cột, cọc.  Trụ cứng: trụ toàn khối, trụ lắp ghép. Trụ cứng là đối tượng của cây cầu được phân tích trong bài. Trụ cứng gồm ba bộ phận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ.