Đặt vấn đề Hiện nay giao thông đã trở nên phức tạp với hàng loạt các vụ va chạm giữa phương tiện giao thông và các công trình giao thông lẫn dân sinh. Riêng tại Việt Nam, một số ví dụ về các vụ va chạm giữa phương tiện giao thông và nhà ở như gần đây vào sáng 6/5/2018 tại Cửa Lò, Nghệ An, một xe rác mất lái đâm vào nhà dân khiến một cột trụ nhà bị đâm gãy, góc nhà đổ sập và gây thương vong cho 3 người.1: Hiện trường vụ tai nạn tại Nghệ An Hay một vụ tai khác vào trưa ngày 3/10 tại Quốc lộ 1A đoạn qua huyện Sơn Tịnh, Quảng Ngãi, một chiếc xe tải chở gỗ mất lái, tông sập 4 căn nhà liền kề của người dân và làm một người bị thương nặng. Điều này dẫn đến các hậu quả nặng nề cho dân chúng và cho bản thân công trình. Từ đó đặt ra bài toán cho kỹ sư về sự phá hoại kết cấu từ sự va đập đột ngột của phương tiện giao thông.2: Hiện trường vụ tai nạn tại Quãng Ngãi 1 1.
Các mô hình va chạm trong các tiêu chuẩn. Mẫu thiết kế trong Eurocode 1: Phần 1-1 Phụ lục B của Eurocode 1: Phần 1-1 [1] đề xuất phương trình đơn giản và tổng quát dưới đây để tính toán lực ngang (đặc trưng) thiết kế trên các rào cản trong bãi đậu xe để chịu được tác động của xe : MV 2 Fmax ( 1.1) 2(C Z ) Với : Fmax= lực va đập tối đa. M= khối lượng xe V= vận tốc xe C = biến dạng xe Z = biến dạng rào cản Nhưng tốc độ va chạm tối đa mà phương trình hợp lệ chỉ 16.2 km/h Mẫu thiết kế trong Eurocode 1: Phần 1-7 Phụ lục C của Eurocode 1: Phần 1-7 [2] phân biệt giữa một tác động mạnh, trong đó năng lượng tác động chủ yếu là bị tiêu tan bởi phần bị va chạm, và một tác động mềm, nơi kết cấu được cho là hấp thụ năng lượng tác động. Dựa trên phản ứng đàn hồi, lực tác động tối đa có phương trình như sau: Fmax V K e M ( 1.2) Với : Ke = độ cứng đàn hồi tương đương.
Ngoài ra Eurocode có đua ra Bảng giá trị thiết kế lực tĩnh tương đương do va chạm xe cộ cho các phần tử kết cấu đỡ như cột như sau : Hình 1.3: Mô hình thiết kế lực tĩnh tương đương do va chạm xe cộ cho các phần tử kết cấu đỡ theo Eurocode 1 2 Bảng 1.1: Giá trị thiết kế lực tĩnh tương đương do va chạm xe cộ cho các phần tử kết cấu theo Eurocode 1-7 [2] Đối với các cấu kiện phần thân phía trên, Bảng 2.2 trích từ Eurocode cho ta giá trị lực tĩnh tương đương tác động như sau: Bảng 1.2: Giá trị thiết kế lực tĩnh tương đương do va chạm xe cộ cho các kết cấu phần thân theo Eurocode 1-Phần 1-7. [2] Mẫu thiết kế trong tiêu chuẩn Trung Quốc.1 của mã Trung Quốc JTG D81-2006 [3] giả định rằng độ cứng của xe và đường ray rào cản có thể được lý tưởng hóa như một lò xo tuyến tính. Do đó, 3 đường cong lực tác dụng thời gian sẽ có hình dạng của một đường cong sin. Hậu quả là, lực tác động đỉnh cao giữa xe và lan can hoặc hàng rào được xác định là : MV 2 sin 2 Fmax ( 1.3) 2 2[ AL sin W (1 cos ) Z ] Với : θ = góc va chạm của xe AL = khoảng cách giữa trọng tâm của xe và cản trước W = chiều rộng xe Tiêu chuẩn xây dựng Tây Ban Nha (CTE) Tiêu chuẩn xây dựng Tây Ban Nha thiết lập tải tĩnh tương đương là 50 kN do tác động của một chiếc xe có khối lượng ít hơn 30 kN.
Tuy nhiên, vận tốc của tác động không được đưa ra trong tiêu chuẩn này và không thể thay đổi dữ liệu đầu vào như vận tốc và khối lượng của phương tiện để có được giá trị chính xác hơn, như tiêu chuẩn châu Âu. Tiêu chí đánh giá phá hoại của cấu kiện bê tông chịu tải va đập. Xu hướng phản ứng và cơ chế phá hoại của cột BTCT từ tải trọng va đập phụ thuộc vào cường độ tải và góc va chạm cũng như cường độ và độ cứng của cột. Các trường hợp tải rất lớn và tức thì như là tải va đập hay nổ bom thông thường làm cho cột dịch chuyển vượt quá giới hạn đàn hồi và thông thường vượt quá cường độ biến dạng cực hạn và khả năng xoay phụ thuộc vào cường độ của cột.
Do đó, cột chịu tải va đập phải được mô phỏng dựa trên khái niệm của độ dẻo hơn là cường độ. Đó là lí do tại sao hiệp hội kỹ sư Mỹ (ASCE) lựa chọn độ dẻo và các thông số giới hạn góc xoay như là tiêu chuẩn của phá hoại do va đập theo Bảng 1.3 trong tiêu chuẩn về thiết kế công trình chịu tải nổ [4]. Do đó, luận văn này sẽ lấy các kết cả phân tích biến dạng và độ xoay theo tải va đập của xe vào cấu kiện BTCT để so sánh với tiêu chuẩn ASCE từ đó đánh giá sự phá hoại của cột. Loại Cấu Phá Hoại Tiêu chuẩn Dạng Phá Hoại Kiện Nhẹ Trung Bình Cao Nén Kéo Góc xoay Gối Dầm-Cột 1 2 3 Vừa nén vừa kéo Cắt Bảng 1.3: Tiêu chuẩn phá hoại ASCE [4] 1.
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Với bài toán đánh giá khả năng chịu va đập của kết cấu, trên thế giới đã có một số tác giả tiến hành mô phỏng số cũng như thực nghiệm. Có thể kể đến một số công trình của các tác giả sau: 4 Na-Hyun Yi, Ji-Hun Choi, và Jang Ho Jay Kim (2015) [5] nghiên cứu về khả năng chịu va đập của cột bê tông cốt thép với xe tải và đánh giá bằng xác suất. Các tác giả sử dụng mô phỏng số bằng phần mềm phần tử hữu hạn LS-Dyna.4: Mô phỏng va chạm bằng Ls-Dyna của Na-Hyun Yi, Ji-Hun Choi, và Jang Ho Jay Kim [5]. Bo Hu và Gio-Qiang Li (2016) [6] nghiên cứu về lực va đập tối đa của xe tải vào hệ thống chống xe khủng bố tấn công.
Các tác giả sử dụng mô phỏng số bằng phần mềm LS-Dyna.5: Mô phỏng va chạm bằng Ls-Dyna của Bo Hu và Gio-Qiang Li.El-Tawil (2016) [7] kiểm tra tác động của các cột bê tông cốt thép bằng một khung xe tải tương đương. Các tác giả sử dụng mô phỏng số bằng phần mềm phần tử hữu hạn explicit LS-Dyna và thực nghiệm trong phòng thí nghiệm.6: Mô phỏng va chạm bằng Ls-Dyna của L.Gardoni (2012) [8] thực hiện mô phỏng va chạm của cột BTCT với phương tiện giao thông để ước tính khả năng chịu lực cắt động lực của cột BTCT bằng phần mềm LS-DYNA.7: Mô phỏng FEM phá hoạt cắt của cột BTCT chịu va chạm xe. De-Bo Zhao và cộng sự (2017) [9] thực hiện mô phỏng có thực nghiệm dầm BTCT chịu tải va đập từ đó tìm hiểu cơ chế chịu cắt của dầm. Mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm LS-DYNA.8: Thí nghiệm và mô phỏng số dầm chịu tải va đập của tác giả Zhao và cộng sự.9: Thí nghiệm và mô phỏng số dầm chịu tải va đập của báo cáo đánh giá vật liệu 159.
Thilakarathna và cộng sự (2010) [11] thực hiện mô phỏng số kèm thí nghiệm cột BTCT chịu tải va đập ngang để đánh giá phá hoại của cột BTCT.10: Thí nghiệm và mô phỏng số dầm chịu tải va đập của tác giả Thilakarathna và cộng sự. Mục tiêu nghiên cứu Khung kết cấu bê tông cốt thép, đặt biệt là cột BTCT là đối tượng trong nghiên cứu trước sự va đập của phương tiện giao thông. Nhưng do sự tốn kém về chi phí nếu phải làm thực nghiệm nên đề tài sẽ sử dụng phương pháp mô phỏng số để mô phỏng ứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng va đập. Để có thể tiên đoán một cách chính xác hiệu ứng va đập tốc độ cao của xe với cột và sẽ gây ra tác động đến khung, mô phỏng cần sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn là LS- DYNA.
Sự cần thiết của nghiên cứu Trong bài toán thiết kế công trình hiện nay tuy đã có quy định thiết kế cụ thể cho trường hợp chịu tải va chạm với phương tiện giao thông trong một số tiêu chuẩn nước ngoài nhưng vẫn cần có những nghiên cứu cả thực nghiệm lẫn mô phỏng để kiểm chứng và góp phần xây dựng quy trình thiết kế để bảo vệ kết cấu từ các mối đe dọa là xe va vào công trinh một cách chính xác hơn. Ngoài ra nghiên cứu còn xem xét quá trình phản ứng phi tuyến của vật liệu BTCT trong bài toán va chạm tốc độ cao, góp phần làm rõ thêm về đặc điểm của loại vật liệu này. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: So sánh với các tiêu chuẩn thiết kế hiện tại cho bài toán va chạm. Tạo cơ sở dữ liệu mô phỏng cho các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử phi tuyến của khung chịu tải va đập.
Ý nghĩa thực tiễn: Việc tìm ra ứng xử phi tuyến của cấu kiện BTCT trước và sau khi xảy ra va chạm sẽ giúp kỹ sư thực hiện bài toán thiết kế - gia cường – bảo vệ kết cấu để không xảy ra phá hủy hoàn toàn và nhanh chóng dẫn đến thiệt hại nặng nề nhân mạng và công trình. Cấu trúc các chương luận văn Ngoài chương 1 là giới thiệu chung, các chương sau của luận văn sẽ đi từ nghiên cứu lý thuyết từ cơ bản đến bài toán va chạm, thực hiện mô phỏng từ một phần tử đơn giản cho đến bài toán va chạm lớn giữa phương tiện giao thông và kết cấu bê tông cốt thép. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này giải thích các định nghĩa cơ bản trong động lực học đồng thời mô tả phản ứng của vật liệu làm việc. Ngoài ra chương 2 còn giới thiệu lý thuyết liên quan đến phản ứng cơ bản của bê tông, bê tông cốt thép trong bài toán tĩnh và bài toán động, đặc biệt là phản ứng phi tuyến của bê tông liên quan đến hiệu ứng biến dạng tốc độ cao.
Chương 3: Kỹ thuật mô phỏng FEM bằng Ls-Dyna 8 Chương 3 sẽ giới thiệu phần mềm Ls-Dyna và các kỹ thuật mô hình hóa bài toán. Chương này đồng thời giới thiệu vật liệu sử dụng trong bài toán chính và thực hiện mô phỏng đơn giản để kiểm tra tính đúng đắng như chương cơ sở lý thuyết đã trình bày.
