CHƯƠNG 1.1 Giới thiệu tấm U-Boot Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, các kỹ sư luôn suy nghĩ cải tiến bê tông thân thiện với môi trường. Vật liệu U-boot được sản xuất từ nhựa tái chế. Tấm U-boot là tấm sàn rỗng sử dụng các khối rỗng được gọi là U-boot. Ngoài ra, U- Boot được tính toán để chịu được tải trọng bản thân của bê tông, tải trọng trong quá trình thi công, nên hộp U-Boot không bị dễ dập vỡ (sức chịu tải của một hộp U- Boot khoảng 150kg).
Hộp U-Boot còn đóng vai trò như cốp pha để tạo khoảng rỗng trong sàn, mỗi hộp U-Boot đều có 4 chân hình côn với chiều cao khoảng 5cm đến 10cm tùy thuộc chiều cao U-Boot tương ứng, các chân hộp U-Boot được đặt trực tiếp lên cốp pha sàn, tạo nên khoảng hở cần thiết cho phép bê tông lắp đầy khoảng hở giữa cốp pha sàn và mặt đáy U-Boot. Ngoài ra các hộp U-Boot được liên kết với nhau bởi các thanh liên kết bằng nhựa. Các thanh này có thể điều chỉnh dễ dàng để tạo ra khoảng hở cần thiết giữa các hộp U-Boot với nhau. Các khoảng hở này tạo ra một hệ thống dầm gân trực giao trong sàn U-Boot.
Hiện nay có 2 loại hộp U-Boot thông dụng là hộp U-Boot đơn và hộp U-Boot kép. Mỗi loại hộp có các chiều cao khác nhau phù hợp với từng mục đích sử dụng và đáp ứng các yêu cầu thiết kế. Cấu tạo của sàn U-Boot điển hình, các loại hộp U-Boot cũng như phụ kiện đi kèm được thể hiện ở Hình 1. Hình a Loại U-Boot đơn Hình b Loại U-Boot kép Tổng quan 2 Hình 1.
Cấu tạo sàn U-Boot và phụ kiện đi kèm Ưu và nhược điểm sàn U-Boot Ưu điểm: Do là sàn phằng không dầm, nên với cùng chiều cao, công trình có khả năng tăng thêm tầng, bố trí kiến trúc linh hoạt hơn khi sử dụng. Nhờ giảm trọng lượng bản thân của sàn nên có khả năng vượt nhịp lớn. Thuận tiện trong việc phân bố mặt bằng cột vì số lượng cột giảm. Do tải trọng truyền xuống cột giảm nên tiết diện cột được tối ưu.
Do trọng lượng sàn và cột giảm nên tải trọng truyền xuống móng giảm. Giảm kích thước móng do vậy giảm công tác đào đất. Trọng lượng bản thân sàn và cột giảm nên giảm khối lượng tham gia dao động dẫn đến giảm tải trọng động đất. Do đặc tính cấu tạo rỗng của sàn U-Boot nên hạn chế việc truyền âm qua sàn, cải thiện khả năng cách âm.
An toàn cao khi xẩy ra cháy. Vận chuyển rất thuận lợi và không cần các thiết bị vận chuyển và nâng hạ phức tạp. Cách nhiệt tốt, đặc biệt rất thích hợp đối với các tầng áp mái. Nhược điểm: Tổng quan 3 Do kích thước đáy hộp 52cmx52cm là khá lớn nên việc bê tông lắp đầy hết phía dưới đáy hộp là khá khó khăn do vậy cần đổ bê tông với độ sụt lớn.
Vì chổ tiếp giáp giữa thành và cánh tạo thành những góc vuông, cho nên khả năng chịu ứng suất cục bộ ngay chỗ tiếp giáp này không được tốt. Không thích hợp cho các khu vực có tính thấm cao. Khó khăn trong việc đầm phần bê tông phía dưới mặt đáy U-Boot.2 Giới thiệu về phương pháp phần tử chuyển động Phân tích ứng xử của kết cấu dưới tác động của tải động là một chủ đề được quan tâm từ rất lâu, nhiều công trình nghiên cứu về vấn đề này đã ra đời. Khi nghiên cứu ứng xử động hay tĩnh về tải trọng chuyển động trên phần tử tấm trước đây, thì hầu như các nghiên cứu đều sử dụng phương pháp PTHH (FEM) (Hình 1.
Qua các quá trình nghiên cứu trên có thể thấy với tải trọng chuyển động trên tấm thì sẽ gặp khó khăn khi tải trọng tiến đến gần biên của miền hữu hạn phần tử và di chuyển vượt ra ngoài biên, ngoài ra phương pháp này còn yêu cầu phải luôn cập nhật vị trí của véc tơ tải trọng. Do đó, việc giải quyết bài toán tấm sẽ tốn nhiều chi phí tính toán và mất nhiều thời gian. Trong những năm gần đây, nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã tìm ra những phương pháp mới tiên tiến hơn nhằm mục đích tạo thêm những công cụ mới hơn thuận lợi trong quá trình phân tích thay vì sử dụng phương pháp truyền thống. Một trong những phương pháp đó phương pháp phần tử chuyển động (Moving Element Method-MEM) (Hình 1.
Điểm thuận lợi của phương pháp này là: tải di động sẽ không bao giờ đến biên vì phần tử được đề xuất luôn chuyển động. Điểm thuận lợi thứ hai là tải di động sẽ không phải chạy từ phần tử này đến phần tử khác, do đó tránh được việc cập nhật véc tơ tải trọng. Điểm thuận lợi thứ ba là phương pháp này cho phép phần tử hữu hạn có kích thước không bằng nhau và điều này có thể hữu ích khi các tải tác dụng tại các điểm tùy ý. Nghiên cứu này cho thấy MEM là một trong những phương pháp thích hợp để phân tích các bài toán động lực học cho kết cấu tấm trên nền đàn nhớt.
Tổng quan 4 Chuyển động y s Đứng yên P kf cf kf cf kf cf x,r kf cf kf cf kf cf kf cf kf cf kf cf Hình 1. Mô hình tải trọng chuyển động, tấm cố định (FEM) y Đứng yên s Chuyển động P kf cf kf cf kf cf x,r kf cf kf cf kf cf kf cf kf cf kf cf Hình 1. Mô hình phần tử tấm chuyển động, tải trọng cố định (MEM) 1.3 Tình hình nghiên cứu 1.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước Bài toán lực di động tác dụng lên kết cấu là một trong những bài toán động lực học đầu tiên cho hệ thống mặt đường. Bằng phương pháp biến đổi Fourier (Fourier Transform Method - FTM) và một hệ thống phối hợp di chuyển, Mathews (1958) [1], (1959) [2] đã giải quyết vấn đề động lực của một tải tùy ý di chuyển dọc theo một dầm có chiều dài vô hạn tựa trên một nền đàn hồi.
FTM, thực chất là một phương pháp miền tần số, đã được thông qua bởi các nhà nghiên cứu khác. Jezequel Tổng quan 5 (1981) [3] xét một dầm Euler-Bernoulli dài vô hạn tựa trên nền đàn hồi chịu một lực tập trung di chuyển với vận tốc không đổi, có tính đến độ cứng xoay theo phương ngang. Hệ thống phối hợp di chuyển đã được sử dụng bằng phương pháp chuyển đổi Galilean. Phương pháp biến đổi Fourier cũng được sử dụng để giải quyết vấn đề.
Công việc tương tự bằng cách sử dụng FTM đã được thực hiện bởi Trochanis và cộng sự (1987) [4], Ono và Yamada (1989) [5]. Đến đây, cần chú ý rằng phương pháp FTM có thể cho lời giải chính xác nhưng trở nên bế tắc khi giải quyết bài toán phức tạp, hệ thống nhiều bậc tự do, hoặc lực di động có liên quan đến việc tăng tốc hoặc giảm tốc. Vào đầu những năm 1974, bằng phương pháp chồng chất Timoshenko (1974) [6] đã giải phương trình vi phân tổng quát trong miền thời gian cho một dầm đơn giản chịu tác dụng của tải di động. Warburton (1976) [7] đã khảo sát cùng một vấn đề và thấy rằng khuếch đại động lớn nhất trong độ võng xảy ra cho một vận tốc cụ thể của tải di chuyển.
Cai và cộng sự (1988) [8] cũng sử dụng phương pháp chồng chất để giải quyết vấn đề của tải di chuyển trên một dầm đồng nhất vô hạn trên con lăn hỗ trợ tuần hoàn. Chen và Huang (2000) [9] đã xét một tải không đổi di chuyển với vận tốc cố định dọc theo một dầm Timoshenko dài vô hạn trên nền đàn nhớt. Phương trình tổng quát cho một dầm vô hạn được thiết lập trong lúc phối hợp di chuyển. Các ma trận độ cứng động lực cho các dầm bán vô hạn thu được trong lúc số bước sóng phức tạp và các hình dạng chuyển vị phức tạp.
Các công trình nghiên cứu nêu trên đều xét dầm liên tục và sử dụng phương pháp giải tích để giải phương trình vi phân tổng quát. Phương pháp này không phù hợp hoặc gặp bế tắc khi áp dụng cho bài toán hệ chuyển động có nhiều bậc tự do chứ không phải là một lực di chuyển. Do đó việc sử dụng phương pháp này để phân tích động học cho bài toán là khá hạn chế. Bài toán phân tích ứng xử của tấm cũng được nghiên cứu từ rất sớm.
Michael và Edward (1988) [10] thực hiện phân tích dao động của tấm chịu tải trọng chuyển động dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Sau đó Michael và Edward (1988) [11] giải quyết bài toán trên sử dụng phương pháp SIM (Structural Impedence Tổng quan 6 Method). Sau đó Gbadeyan và Oni (1995) [12] thực hiện phân tích động của dầm và tấm chữ nhật chịu tác động của tải trọng chuyển động dựa trên phương pháp Struble’s hiệu chỉnh. Bài toán này giải quyết cho các trường hợp dầm và tấm có điều kiện biên bất kỳ, và số lượng vật chuyển động cũng bất kỳ.
Tiếp tục với công trình nghiên cứu của mình,Gbadeyan và Dada (2006) [13] thực hiện phân tích phản ứng động của tấm chữ nhật Mindlin chịu vật thể chuyển động có khối lượng phân bố đều. Trong bài báo này các tác giả tập trung vào các yếu tố khác biệt trong trường hợp tấm dày, dùng lý thuyết Mindlin có kể đến biến dạng trượt, thực hiện so sánh với lý thuyết tấm Kirchhoff. Kim (2004) [14] đã thực hiện phân tích phản ứng động của tấm trên nền đàn nhớt Winkler chịu tải trọng động sử dụng phương pháp Fourier transform theo thời gian và không gian, đồng thời cũng đã khảo sát mức độ gồ ghề của mặt đường đến dao động của vật chuyển động. Tiếp theo đó các công trình nghiên cứu về tấm trên nền đàn hồi dần được phát triển.
Kim và Rosset (1988) [15] đã nghiên cứu đến trạng thái ứng xử của một tấm vô hạn trên nền đàn hồi chịu tải trọng chuyển động điều hòa không đổi. Sun (2003) [16] đã xây dựng lời giải giải tích cho tấm Kirchhoff trên nền đàn nhớt chịu tải điều hòa bằng chuỗi Fourier. Fryba (1999) [17] nghiên cứu dao động riêng của một tấm dài vô hạn hoặc hữu hạn cho nhiều điều kiện biên khác nhau.Huang và Thambiratnam (2001) [18] đã sử dụng phương pháp dải hữu hạn để phân tích ứng xử của kết cấu tấm cố định trên nền đàn hồi. Javad (2013) [19] sử dụng phương pháp EEM (Eigenfunction Expansion Method) để nghiên cứu sự ổn định và ứng xử động lực học của tấm Mindlin chịu tác động của tải trọng di động.
Cheng (1986) [20] đã tiến hành phân tích ứng xử động của tấm trên nền đàn hồi chịu tải trọng di động bằng phương pháp biến phân.
