CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về tải trọng di động và phương pháp tính kết cấu chịu tải trọng di động Từ lâu tải trọng di động đã được quan tâm khi tính toán, thiết kế các công trình giao thông, xây dựng, vv. Do tính phức tạp của nó về mặt ứng xử cơ học và tính toán, nên tải trọng di động trong các mô hình tính thường được mô tả là dạng tải trọng động có chu kỳ, với điểm đặt không đổi, đây là mô hình tải trọng khá đơn giản cho tính toán, phản ánh không sát sự làm việc của hệ thực, ngày nay mô hình này vẫn được sử dụng trong một số trường hợp vận tốc di chuyển của tải trọng rất chậm. Thực tế đã cho thấy, ảnh hưởng do sự di chuyển của tải trọng tới phản ứng động của kết cấu là rất đáng kể, có thể phát sinh những hiện tượng không mong muốn, như làm tăng các giá trị chuyển vị, nội lực và có thể làm kết cấu bị phá huỷ.
Do ý nghĩa thực tiễn quan trọng nên đã từ lâu, cách đây khoảng 150 năm vấn đề nghiên cứu dao động của kết cấu chịu tải trọng di động đã thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Ngày nay, với sự phát triển của phương pháp và công cụ tính, các nhà khoa học trong nước và nước ngoài đã và đang nghiên cứu các kết cấu chịu tải trọng di động với việc xét đến cả quá trình và tính chất di chuyển của tải trọng, điều đó đã tiếp cận dần sát hơn với sự làm việc thực tế của hệ. Theo hướng này, tải trọng di động được xét có thể là một trong ba dạng như sau [30]: Dạng thứ nhất: Lực có điểm đặt di chuyển trên kết cấu; Dạng thứ hai: Vật mang khối lượng cùng với lực tác dụng vào nó di chuyển trên kết cấu; Dạng thứ ba: Hệ dao động di chuyển trên kết cấu, giữa hệ di động và kết cấu có các liên kết đàn hồi hoặc liên kết đàn hồi và cản nhớt. luan an 5 Để phù hợp với các mô hình tính thì phương pháp tính kết cấu chịu tải trọng di động cũng được thay đổi.1 là các phương pháp tính kết cấu chịu tải trọng di động thường được sử dụng phổ biến đến nay.
Một số phương pháp tính kết cấu chịu tải trọng di động Trong một số trường hợp, để đơn giản và thuận tiện cho việc tính toán, hiệu ứng quán tính do tải trọng động gây ra được tính toán thông qua hệ số động, thông thường bằng tỷ số giữa phản ứng động với phản ứng tĩnh của kết cấu. Trong trường hợp tải trọng di chuyển với tốc độ nhỏ thì có thể tính toán tương tự như trường hợp tải tĩnh ở các vị trí liên tiếp nhau. Khi tải trọng di chuyển với tốc độ cao, kết cấu sẽ dao động và lúc này hiệu ứng động không thể bỏ qua và phương pháp tính tương đương tải tĩnh như trên là không phù hợp. Qua nghiên cứu cho thấy các yếu tố chính ảnh hưởng đến phản ứng động của kết cấu gồm: - Thông số hình học, khối lượng, độ cứng, cản của bản thân kết cấu; luan an 6 - Đặc tính của bản thân hệ di động, như: khối lượng, hệ dao động di động, số lượng và sự phân bố các tải trọng di động, v.v; - Thông số của hệ di động, sự di chuyển của tải trọng: tốc độ của tải trọng di động (nhanh dần, chậm dần, đều hay thay đổi đột ngột), quỹ đạo di chuyển của tải trọng (thẳng hoặc cong).
- Điều kiện tiếp xúc giữa tải trọng và kết cấu: bề mặt mà trên đó tải trọng di động là phẳng hoặc gồ ghề (biên độ đều, ngẫu nhiên), tiếp xúc giữa tải trọng và kết cấu là liên tục hay không liên tục; - Điều kiện ban đầu khi tải trọng bắt đầu tiếp xúc với kết cấu: có gia tốc hay không có gia tốc. Đối với kết cấu tấm chịu tải trọng di động nói chung đến nay có khá nhiều ứng dụng trong kỹ thuật, đặc biệt trong ngành cầu, đường, ví dụ: các tấm dải vệt chống lầy trang bị trong lực lượng công binh, mặt đường giao thông, tấm ghi sân bay, mặt đường băng trên tàu sân bay, các tấm bản mặt cầu, v. Lắp ghép các tấm bản mặt cầu luan an 7 Hình 1. Thi công lắp ghép các tấm lát mặt đường 1.
Tổng quan về tính toán kết cấu chịu tải trọng di động và kết cấu có vết nứt Vết nứt là một trong những nguyên nhân làm giảm yếu kết cấu, trong những điều kiện cụ thể, vết nứt sẽ gây ra những sự cố nguy hiểm đối với chi tiết máy hoặc công trình. Đối với vết nứt tế vi, khả năng phá hủy công trình diễn ra chậm hơn là những vết nứt nhìn thấy, có kích thước tương đối lớn. Trong phạm vi của luận án chỉ đề cập đến vết nứt nhìn thấy, do đó phần này cũng chỉ đề cập một cách tổng quan các kết cấu dầm, tấm không có và có vết nứt chịu tác dụng của tải trọng tĩnh, động và di động để làm cơ sở cho việc giải quyết bài toán luận án đặt ra. Dầm chịu tác dụng của tải trọng di động và dầm có vết nứt Do nhu cầu của thực tiễn, kết cấu dầm chịu tải trọng di động được nghiên cứu khá sớm, trong đó có thể kể đến công trình nghiên cứu từ những năm 1849 của Stokes và Willis.
[41] đã tính luan an 8 toán đáp ứng chuyển vị của dầm thẳng và dầm cong chịu tác dụng của lực di chuyển. và các cộng sự [32] đã nghiên cứu phản ứng động của hệ dầm đôi với các liên kết giảm chấn Rayleigh theo phương thẳng đứng nối giữa dầm trên và dầm dưới, chịu tác dụng của lực tập trung di động. Phát triển các nghiên cứu trước đó, Nguyen Xuan Toan, Van Duc Tran [60] đã phân tích đáp ứng động lực học của dầm trên nền đàn hồi chịu tải trọng di động là lực hoặc khối lượng di chuyển, trong đó phương pháp PTHH đã được sử dụng. Trong các nghiên cứu này, ảnh hưởng của tính chất tải trọng, kích thước hình học của kết cấu và điều kiện liên kết cũng như tính phi tuyến hình học đã được đề cập.
Sử dụng phương pháp số, chủ yếu là phương pháp PTHH để nghiên cứu phản ứng động của kết cấu cầu và cầu dây văng như là hệ liên hợp dầm - dây - cột chịu tải trọng di động đã được Nguyễn Thị Cẩm Nhung [8], Chen Tsung - Chien [26], Liu M. và các cộng sự [52], Nguyễn Thái Chung, Lê Phạm Bình [59] tập trung giải quyết, bước đầu đã đạt được những kết quả đáng kể thể hiện đáp ứng động lực học của hệ. và các cộng sự [45] đã ứng dụng cách tiếp cận phổ để nghiên cứu bài toán dầm chịu tải trọng di động. Đối với dầm có vết nứt, đây là những kết cấu hoặc chi tiết phổ biến trong thực tế, việc tính toán tĩnh và động đối với các đối tượng này đến nay đã có khá nhiều công bố.
[29] áp dụng phương pháp PTHH với loại phần tử thanh 3D mô phỏng ứng xử của khung có vết nứt chịu tải trọng tĩnh, một số kết quả về quan hệ chuyển vị - tải trọng của khung đã được chỉ ra. Nguyen Thai Chung và các cộng sự [58] sử dụng phương pháp PTHH để tính toán số, xem xét ảnh hưởng của các yếu tố hình học, vật liệu, vết nứt và tải trọng đến đáp ứng động lực học của nhà cao tầng được mô hình hóa bởi hệ khung không gian - tấm - nền làm luan an 9 việc đồng thời, trong đó có các vết nứt tại các cột chịu tác dụng của động đất. Phí Thị Hằng [6] đã áp dụng cách tiếp cận này để nghiên cứu đáp ứng tần số của dầm có vết nứt chịu tải trọng di động. [43], [44] đã giải bài toán chẩn đoán vết nứt bằng đáp ứng tần số của dầm chịu tải trọng di động.
Ngô Trọng Đức và các cộng sự [5] sử dụng phương pháp phân tích Wavelet dừng của dạng dao động riêng có kể đến ảnh hưởng của nhiễu trắng Gausian để phân tích dao động riêng và xác định vị trí của các vết nứt trong dầm làm bằng vật liệu FGM, trong đó các dạng dao động riêng được các tác giả xác định từ mô hình phần tử dầm FGM chịu kéo, nén và uốn có nhiều vết nứt mô phỏng bởi các lò xo theo phương pháp độ cứng động lực (DSM). [63] đã sử dụng phương pháp PTHH phân tích dao động của dầm có vết nứt làm bằng vật liệu đẳng hướng và vật liệu composite, trong đó các tác giả đã đề cập ảnh hưởng của vết nứt như độ sâu, vị trí đến tần số và biên độ dao động của dầm. và các cộng sự [55] giới thiệu phương pháp phân tích dao động của dầm công xôn có vết nứt và đã chỉ ra những tiện ích của phần mềm ANSYS sử dụng tính toán bài toán dạng này. và các cộng sự [56], Ramachandran C.
[66] sử dụng phương pháp PTHH phân tích tĩnh và dao động riêng kết cấu dầm bê tông và dầm composite liên kết tựa đơn, kết quả tính toán số được so sánh với kết quả nghiên cứu thực nghiệm do chính các tác giả thực hiện. và các cộng sự [54] mô hình hóa dầm có vết nứt chịu tác dụng của tải trọng động, trong đó phương pháp PTHH đã được các tác giả sử dụng, kết quả khảo sát số cho thấy ảnh hưởng của độ sâu vết nứt đến tần số riêng của dầm là đáng kể. Bên cạnh luan an 10 đó, các tác giả đã thực hiện thí nghiệm trực tiếp trên mô hình dầm công xôn có vết nứt để so sánh tần số riêng với tính toán lý thuyết. [49] sử dụng các tấm PZT để điều khiển dao động tự do của dầm có nhiều vết nứt, ảnh hưởng của độ sâu, vị trí, số lượng vết nứt và ảnh hưởng của các tấm PZT đến đặc trưng dao động riêng của dầm đã được các tác giả đề cập.
và các cộng sự [71] sử dụng phương pháp giải tích để phân tích dao động riêng và ổn định tĩnh của dầm có vết nứt, trong đó vết nứt được mô phỏng bằng lò xo chống uốn. Nghiên cứu với đối tượng dầm có vết nứt chịu tác dụng của tải trọng di động là vấn đề phức tạp hơn so với tác dụng của các loại tải trọng tĩnh và động có điểm đặt không đổi, nhưng là mô hình tính phản ánh sát với sự làm việc của các công trình thực tế như cầu, đường, vũ khí, khí tài quân sự khi chịu tải trọng khai thác.