Nghiên cứu ứng suất biến dạng không gian trong mố trụ cửa van cung có kể đến sự làm việc của cốt thép

NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TRONG MỐ TRỤ CỬA VAN CUNG CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP. Ks. Phạm Hải Vinh – Công ty CP Tư vấn điện lực dầu khí Việt Nam TS. Nguyễn Cảnh Thái – Trường Đại học Thủy lợi TÓM TẮT: Trong thực tế để có thể xác định được ứng suất và từ đó tính được hàm lượng cốt thép dùng cho kết cấu công trình, người ta mới chỉ mô hình hóa quá trình làm việc của bê tông mà chưa đề cập đến ảnh hưởng của cốt thép nằm trong kết cấu đó. Bài viết giới thiệu một số kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cốt thép tới sự phân bố ứng suất trong bê tông chịu lực phức tạp nhằm làm rõ khả năng chịu lực của cốt thép trong kết cấu và ảnh hưởng của nó tới ứng suất trong bê tông. Các kết quả thu được từ nghiên cứu của tác giả cho thấy ứng suất trong bê tông khi tính đến ảnh hưởng của cốt thép (bao gồm cả vị trí và cách bố trí) có sự sai khác đến 34.17% so với trường hợp chỉ xét quá trình làm việc của bê tông trong kết cấu công trình. Từ kết quả này cho thấy sự cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép trong các cấu kiện bê tông phức tạp. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ. Tại đầu mối các Công trình thủy lợi - thủy điện, có thể nói công trình tháo có cửa van cung là một hạng mục công trình lớn cả về quy mô và tầm quan trọng. Trong đó kết cấu phần tai van đóng vai trò quan trọng không kém, bởi tai van phải chịu toàn bộ áp lực nước truyền từ cửa van, đồng thời khi cửa van vận hành áp lực nước này tại mỗi thời điểm khác nhau lại diễn biến rất phức tạp. Ứng suất mố trụ cửa van cung đã được mô tả và thiết kế rất nhiều bằng các công cụ khác nhau. Tuy nhiên người ta mới chỉ mô tả quá trình làm việc của khối bê tông để từ đó xác định được ứng suất và lượng cốt thép cần dùng. Bê tông lúc đó cũng chỉ là một vật liệu chịu nén đơn thuần. Trên thực tế, vật liệu chính của kết cấu ngoài bê tông ra còn phải kể tới cốt thép. Các thanh thép trong khối bê tông cùng tham gia chịu lực với vai trò có ứng suất trước hoặc không ứng suất trước và có ảnh hưởng nhiều tới sự phân bố ứng suất trong bê tông. Nếu chỉ rõ ra được cốt thép làm việc cùng với bê tông như thế nào trong kết cấu thì chúng ta sẽ tính chính xác được lượng thép cần để tham gia chịu lực và bố trí thép hợp lý hơn. a) b) Hình 1: Bố trí thép trong trụ van cung theo hai quan điểm Hiện nay trên thế giới có hai quan điểm bố trí cốt thép trong trụ pin: Một là quan điểm bố trí thép hình rẻ quạt,(Hình 1a) cốt thép được bố trí dựa theo sự phân bố của ứng suất trong trụ pin. Trường phái này được sử dụng rộng rãi trên thế giới bởi các nước Đông Âu. Du nhập vào Việt Nam do Liên Xô, đã trợ giúp lớn về mặt kỹ thuật cho các công trình lớn của nước ta trước đây. Các công ty tư vấn của ta phần lớn sử dụng phương pháp bố trí thép này để thiết kế trụ pin van cung. Đây là phương án bố trí thép quen thuộc đối với chúng ta, tuy nhiên nhược điểm là lượng thép bố trí quá nhiều. Hai là quan điểm bố trí thép song song theo hướng chịu lực chính trong trụ pin, có ứng lực trước hoặc không ứng lực trước.(Hình 1b). Quan điểm này phổ biến ở các nước Tây Âu, đặc biệt là Mỹ, đặc điểm của phương án bố trí này là các thanh thép đã chịu một phần ứng suất trước, do vậy khi trụ pin làm việc, phần ứng suất này được giải phóng và bù phần ứng suất trụ pin phải chịu do tải trọng. Quan điểm này tỏ ra hữu hiệu trong việc tiết kiệm cốt thép, cách bố trí cũng đơn giản hơn. Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình. Hình 2: Hình ảnh một công trình bố trí thép theo quan điểm thứ hai 2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, MÔ HÌNH TÍNH VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG. Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một phương pháp số dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng lên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ .[1]. Hình 3: Các mô hình bố trí thép trong dầm BTCT (Tavarez2001) Phương pháp phân tích bằng phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng rộng rãi như là một công cụ thiết kế cho việc phân tích tuyến tính cũng như phi tuyến của vật liệu. Để làm được như vậy, chúng phụ thuộc vào hai nhân tố chủ yếu sau. Thứ nhất, khi quá trình tính toán tăng lên kết hợp với vấn đề phi tuyến, khả năng tính toán là điều bắt buộc. Thứ hai, trước khi phương pháp PTHH có thể sử dụng trong tính toán thiết kế, độ chính xác cần được chứng minh. Việc cải tiến đặc trưng phần tử và những kinh nghiệm thu được về vấn đề này của nhiều tác giả có thể khẳng định rằng phân tích PTHH vào bài toán phi tuyến vật liệu có thể thực hiện với độ tin cậy cao.Vấn đề còn lại là hiệu quả kinh tế khi lựa chọn ứng dụng vào sản xuất [2]. Giả thiết của phương pháp: Vật liệu là một môi trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hooke trong phạm vi đàn hồi của vật liệu. Năm 2001, Tavarez đã đề xuất ba kỹ thuật mô phỏng cốt thép gia cố trong cấu kiện BTCT bằng mô hình PTHH (Hình 3) mô hình tương tự, mô hình xen kẹp, mô hình rời rạc mô phỏng thép trong bê tông. - Mô hình tương tự (Hình 3a) cho phép chia lưới PTHH cốt thép dưới dạng một miền đều chạy dọc theo các phần tử bê tông. Điều này được áp dụng cho các mô hình có kích thước lớn nên cốt thép không đóng vai trò quan trọng trong sự làm việc tổng thể của kết cấu - Mô hình xen kẹp (Hình 3b) đã khắc phục được sự giới hạn trong việc phân chia phần tử bê tông do độ cứng của thép được tính toán riêng biệt trong các phần tử bê tông. Mô hình này được xây dựng trên nguyên tắc giữ cho các chuyển vị của cốt thép tương ứng với các phần tử của bê tông xung quanh. Khi hàm lượng cốt thép phức tạp thì mô hình này rất hiệu quả. Tuy nhiên, mô hình này làm tăng số nút và số bậc tự do trong dầm, từ đó làm cho thời gian và chi phí tính toán tăng lên. - Cốt thép trong mô hình rời rạc (Hình 3c) sử dụng phần tử thanh hoặc phần tử dầm liên kết với các phần tử bê tông tại các nút lưới. Vì vậy, cả bê tông và cốt thép được chia lưới chung với nhau một số nút. Nhược điểm của mô hình này là việc chia lưới của bê tông phụ thuộc vào việc chia lưới của cốt thép và thể tích phần bê tông mà cốt thép chiếm chỗ không bị trừ đi trong tổng thể tích khối bê tông. Cũng vào năm 2001, Fanning đã tiến hành mô hình hoá sự làm việc của cốt thép theo mô hình rời rạc và mô hình tương tự trong dầm BTCT. Và ông đã nhận thấy rằng mô hình rời rạc là mô hình hợp lý nhất trong công việc mô hình hoá cốt thép. Trong bài viết này, tác giả sử dụng mô hình rời rạc để mô phỏng các phần tử bê tông và phần tử cốt thép. Đồng thời dùng chương trình ANSYS 10.0 để phân tích cấu kiện, được đề cập ở các tài liệu [1,2]. Mô hình hóa cấu kiện: Cấu kiện bê tông: Trụ pin đập tràn cao 35m tính từ mặt tràn, bề dầy trụ pin là 3m, khoang tràn rộng 22m. Bảng 1: Các loại phần tử trong mô hình Loại phần tử Phần tử trong ANSYS Bê tông Solid 65 Tấm thép gia cố Solid 45 Cốt thép Link 8 Để mô hình hoá trụ pin bê tông cốt thép, ta lựa chọn 3 phần tử chính để mô tả bê tông, cốt thép chịu lực và trục dầm chốt xoay bằng thép đặt ở tai van tại vị trí đặt tải trọng để hạn chế ứng suất tập trung tại điểm này. Các loại phần tử sử dụng cho mô hình này được thể hiện ở Bảng 1 Phần tử Solid 65 (3D Reinforced Concrete Solid) được sử dụng mô hình hoá bê tông. Đây là phần tử có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z. Phần tử Solid 65 có thể chuyển vị đàn hồi, nứt theo 3 phương và dùng để mô tả vật liệu bê tông có chứa hàm lượng cốt thép. a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song Hình 4: Mô hình sự liên kết giữa phần tử bê tông và thép hai phương án bố trí thép Phần tử Solid 45 (3D Structural Solid) được sử dụng để mô hình hoá trục tai van bằng thép ở vị trí đặt tải trọng nhằm không làm xuất hiện ứng suất tập trung tại các vị trí này. Phần tử Solid 45 có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z. Solid45 này dùng để mô tả các kết cấu thép Phần tử Link 8 được sử dụng để mô hình hoá cốt thép gia cố bên trong dầm. Đây là phần tử thanh 3D có 2 nút với 3 bậc tự do theo 3 phương x, y, z. Mô hình hóa sự liên kết giữa phần tử bê tông và cốt thép như Hình 4 a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song Hình 5: Chia lưới phần tử hai phương án bố trí thép Điều kiện biên và tải trọng: Để bảo đảm mô hình hoạt động giống như cấu kiện bê tông hoạt động trong thực tế, các điều kiện biên phải được đặt lên các mặt phẳng để giới hạn chuyển vị không mong muốn. Các nút nằm trên mặt phẳng hai bên biên tràn được giới hạn chuyển vị theo phương vuông góc với mặt này. Vì vậy, với các nút nằm trên mặt phẳng trái và phải của đập tràn sẽ có điều kiện chuyển vị theo phương UZ=0. Do không kể đến sự làm việc của nền, nên toàn bộ phần đáy của đập tràn coi như ngàm. Có hai tổ hợp lực: Tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt. Nhận thấy với tổ hợp đặc biệt, ngoài tổ hợp lực cơ bản ra công trình còn chịu thêm lực xô ngang và thẳng đứng bất lợi tác động đến của động đất (Trong đó xô ngang rất nguy hiểm cho công trình). Ta chọn trường hợp tải trọng tổ hợp đặc biệt để tính toán. Lực theo phương ngang Px=3920T, phương đứng Py=1181T. Tải trọng tập trung tại van được truyền đến 1 nút ở trọng tâm mặt ngoài của trục xoay bằng thép. (Bỏ qua áp lực nước thượng lưu lên mặt trước trụ pin). 3. KẾT QUẢ TÍNH. * Kết quả tìm tổ hợp tải trọng nguy hiểm đối với trụ pin a) Cả hai cửa van cùng đóng b) Một bên đóng, một bên mở Hình 6: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X Bảng 2: Bảng kết quả ứng suất max theo các phương của hai trường hợp tính tải trọng  Trường hợp làm việc của cửa van sxmax symax Sai số theo phương x Cửa van một bên mở, một bên đóng 650.02 230.33 +29% Cửa van hai bên cùng đóng 461.25 254.49 Nhận xét: Theo phương y, ứng suất không thay đổi nhiều, tuy nhiên với phương x sai số của trường hợp một bên đóng một bên mở so với hai bên cùng đóng là +29%. * Kết quả so sánh trường hợp mô hình hóa vật liệu là BT và Bê tông có kể đến sự làm việc của cốt thép (Thép bố trí hình rẻ quạt) a) Mô hình hóa là BTCT b) Mô hình hóa là bê tông có kể thêm cốt thép Hình 7: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X * Kết quả so sánh trường hợp bố trí thép hình rẻ quạt và thép song song có dự ứng lực trước a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song dự ứng lực Hình 8: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương XY Trong phương án mô hình hoá vật liệu là BTCT thông thường, phần tử Solid65 được gắn các đặc trưng vật liệu của bê tông cốt thép. Phương án mô hình hoá vật liệu với các phần tử Solid65 được gắn các đặc trưng vật liệu là bê tông, các phần tử link8 được gắn đặc trưng vật liệu là các thanh cốt thép f25 bố trí theo hình nan quạt. Việc bố trí thép số lượng thép 6f25 ≈ 30cm2 (cả hai bên thành là 60cm2) chỉ mang tính định tính, tuy nhiên điều này cũng sẽ chỉ rõ được sự làm việc đồng thời của các thanh thép trong cấu kiện bê tông. Bảng 3: Kết quả ứng suất max của hai phương thức mô hình hoá Phương án mô hình hoá vật liệu smax Sai số % theo phương x Phương x Phương y PA mô hình hoá BT 650.02 230.33 PA mô hình hoá có kể đến sự làm việc của cốt thép (Không ứng lực) 505.81 167.54 -34.17% PA mô hình hoá có kể đến sự làm việc của cốt thép (ứng lực trước) 430.89 156.84 -44.52% Qua Bảng 3 ta nhận rõ sự khác biệt, khi mô hình hoá có kể đến sự làm việc đồng thời của cốt thép trong bê tông, cùng với các điều kiện chống nứt trong bê tông, thì ứng suất giảm đến 34.17% so với phương án mô hình hoá là BTCT và khi cùng với diện tích Fa thép đó nhưng thêm ứng suất trước trong thép thì ứng suất trong bê tông của phương án có kể đến sự làm việc của cốt thép ứng lực trước giảm đến 44.52%. Ngoài ra ta có bảng kết quả so sánh ứng suất của kết cấu bê tông có kể đến sự làm việc của cốt thép dự ứng lực và không dự ứng lực. Bảng 4.2: Kết quả ứng suất max của các phương án đặt thép khác nhau Phương án đặt thép fa (cm2) Ứng suất max phương X Ứng suất max phương Y Sai số % theo phương X Đặt thép hình nan quạt (Không dự ứng lực) 12f25 59 505.8 167.54 Đặt thép song song (Có dự ứng lực) 12 sợi 1cm2 12 437.6 157.90 24 sợi 1cm2 24 435.9 157.64 60 sợi 1cm2 60 430.89 156.84 -14.98% Nhận thấy, cùng với diện tích cốt thép fa như nhau, với các điều kiện bê tông không nứt như nhau thì phương án đặt thép ứng lực trước (PA bố trí 60 sợi) giảm 14.98% ứng suất so với phương án phương án thép không sử dụng ứng lực trước (PA đặt thép hình nan quạt). Thứ hai nữa là đối với phương án thép ứng lực trước, cùng với ứng lực đặt trước như nhau, các điều kiện về chống nứt trong bê tông, cách bố trí thép như nhau nhưng hàm lượng cốt thép fa giảm nhanh hơn so với sự tăng ứng suất trong trụ pin. Do vậy để lợi hơn về kinh tế nên tăng ứng suất trước (trong giới hạn bé hơn ứng suất nén của bê tông và ứng suất chịu kéo của thép) hơn là tăng fa của cốt thép. Phương án bố trí thép ứng lực trước trong trụ pin rõ ràng là hội tụ được các ưu điểm của phương pháp bố trí thép ứng lực trước trong kết cấu bê tông. Ngoài lợi hơn về mặt chịu lực, còn tiết kiệm được đáng kể về hàm lượng cốt thép, cách bố trí cũng đơn giản hơn. Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình. 4. KẾT LUẬN. Việc ứng dụng phương pháp PTHH để phân tích kết cấu bê tông cốt thép đã được nghiên cứu, đánh giá và được khẳng định kết quả trong tất cả các giai đoạn làm việc của BTCT là phù hợp, sát với thực tế. Ở đây trong phạm vi bài viết này, tác giả đã ứng dụng phương pháp PTHH để làm rõ hình ảnh của cấu kiện bê tông làm việc trong không gian và vai trò của cốt thép trong cấu kiện bê tông: hàm lượng, vị trí và cách bố trí, ứng lực trước và không ứng lực. Từ các kết quả tính toán đó có thể lựa chọn phương án bố trí thép trong cấu kiện một cách hợp lí. Qua việc mô hình hoá và phân tích sự làm việc cấu kiện bê tông, qua đánh giá các kết quả tính toán sử dụng phương pháp PTHH thông qua ứng dụng phần mềm thương mại ANSYS 10.0 của Mỹ như đã trình bày trên có thể kết luận về sự cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép trong các cấu kiện bê tông. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Vũ Quốc Anh, Phạm Thanh Hoan, năm 2006, “ Tính kết cấu bằng phần mềm Ansys Version 10.0 ” Nhà xuất bản Xây dựng. 2. Nguyễn Việt Hùng, Nguyễn Trọng Giảng, năm 2003, “Ansys và mô phỏng số trong công nghiệp bằng phần tử hữu hạn ” Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật. 3. Phạm Ngọc Khánh, Nguyễn Ngọc Oanh, Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Công Thắng, “ Cơ học kết cấu - Phần 2 : Phương pháp phần tử hữu hạn ”, Nhà xuất bản Nông nghiệp. 4. Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Đào Duy Lâm, năm 2004, “Các ví dụ tính toán cầu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn mới 22 TCN272-01”, Nhà xuất bản xây dựng. 5. Nguyễn Hữu Thành, Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Hữu Luân, năm 1995, “Kết cấu bê tông cốt thép” - Nhà xuất bản nông nghiệp. 6. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam, năm 2005,  “TCXDVN 356 : 2005 – Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép”, Nhà xuất bản xây dựng. 7. Department Of The Army, U.S Army Corps of Engineers, năm 2000, “ Design Of Spillway Tainter Gates ” EM1110-2-2702. 8. Faherty, K.F, năm 1997, “An Analysis of a Reinforced and a Prestressed Concrete Beam by Finite Element Method” Doctorate’s Thesis, University of Iowa, Iowa City. 9. Kachlakev, D.I, Miller, T; Yim, S ; Chansawat, K ; Potisuk, T, năm 2001, “ Finite Element Modeling of Reinforced Concrete Structutes Strengthened With FRP Laminates ”. Research space crippling stress in support of head segment valve including working of reinforcing. Abstract In reality, to define the stress for calculating reinforcing content which used in structure of construction, the man have just simulated concrete operaion but not study the influence of internal reinforce. This report introduce some researched results about the influence of reinforce to internal stress distribution of complex reinforced concrete so that demonstrate reinforced possibility in structure and it’s influence to internal stress of concrete. The gained results from author’s research show internal stress of concrete when getting reinforcing influence (including the position and distribution) has error about 34.17% with the case which just calculate concrete operation in structure of construction. This result demonstrate necessary about influence of reinforce distribution in complex concrete solid.