Dự đoán nứt hay đứt gãy trong bê tông

Trong nhiều trường hợp, dự đoán được đứt gãy trong kết trước sẽ mang lại nhiều tiện lợi khi xây dựng công trình. Lý do dẫn đến đứt gãy của kết cấu thì có nhiều trường hợp, một lực nào đó tác dụng vào bê tông và vượt giới hạn chịu đựng, hoặc đứt gãy do co nghót hay từ biến. Dưới đây mình xin giới thiệu một trong tác nhân đó qua mô hình ANSYS. Khảo sát đứt gãy hay dự đoán đứt gãy của bê tông trong quá trình làm việc dưới tác dụng của lực.

Bài toán đặt ra là, một dầm dài 7m, chiều cao 400mm, rộng là 200mm, ứng xuất cực đại của bên tông là 30 N/mm2.

Thép: ứng xuất gây ra biến dạng của thép là 460 N/mm2. 2 thanh thép đường kính 12mm. Để đơn giản cho mô hình thép được đặt ở ngoài cùng, không tính đến lớp bảo vệ của bê tông. Tại vị trí đặt lực sử dụng công thức tính toán moment lớn chất bê tông cốt thép có thể chịu được là: 4.05x10⁵ N/mm2 tại vị đặt lực (P/A trong đó A là diện tích lực đặt)

Chọn vật liệu: BEAM23 và SOLID65. BEAM23 sẽ được mô hình cho cốt thép, lý do chọn BEAM23 là vì ở bài toán này chúng ta đang khảo sát và dự đoán khi bê tông cốt thép gãy và nứt. Nến với BEAM4 thì vẫn trong giới hạn đàn hồi nên khả năng sẽ lỗi chạy chương trình sẽ xảy ra. SOLID65 để mô hình cho Bê tông, đây là thành phần chính hỗi trợ độ mở của đừng nứt khả năng xem xét được vế nứt trong bên tông.

Sau khi chọn xong bạn cần phải chỉnh lại BEAM23 ở Keyoption của phần tử này. Khi mô hình trong dưới dạng phần tử liên kết (giữa cốt thép và bê tông). Khi bê tông có một chuyển vị tương đối thì thép sẽ ngăn cản chuyển vị này do ảnh hưởng từ bê tông. Vì vậy khi mô hình bài toàn phải chuyển keypoint của BEAM23 thàng Round Solid.

Reals constant: SOLID65, vì chúng ta sẽ dùng BEAM23 để mô tả cốt thép của bê tông nên, Reals Constant của SOLID65 bỏ qua. (SOLID65 hỗi trợ 3 cốt thép cho điểm này).

BEAM23: điền vào đường chính cốt thép:

Vật liệu: Ở đây chúng ta sẽ cần đến 2 vật liệu. 1 mô tả đặc tính vật liệu của Bê tông, 2 mô tả đặc tính vật liệu của thép.

Vật liệu bê tông:

ELASTIC -> Isotropic: EX = 2.925E10, PRXY: 0.2

Khai báo Multinlinear:

Chú ý ở đây, bạn cần phải tính toán lại đường cong của bê tông (tỷ số giữa kéo-nén của bê tông, tham khảo: Stress-strain curve of concrete). Sau khi tính toán sẽ thu được:

Tỷ số giữa nén và kéo đầu tiền của bê tông (2.925e5/0.0001) cho bạn mô đun đàn hồi Young: là 2.925e10 ở trên (EX)

Nếu bạn chọn một số EX khác, tất nhiên khi chạy chương trình sẽ lỗi. ANSYS sẽ yêu cầu bạn phải điền chính xác nó vào.

Chọn Graph bạn sẽ thu được đường con kéo nén như sau:

Bước tiếp theo bạn cần phải làm là khai báo non-metal plasticity cho bê tông,lý do đây không phải kim loại nên bạn cần phải khai báo nó để có thể xem được đường nứt vỡ. Chọn Concrete, trong hình dưới đây

ShrCf-op: (Shear transfer coefficients for an open crack): hệ số truyền lực cắt của vết nứt mở.

ShrCf-cl: (Shear transfer coefficients for a closed crack: hệ số truyền lực cắt của vết nứt khép.

UnTenSt (Uniaxial tensile cracking stress): Ứng xuất nứt dựa trên 2 trục của bê tông

UnComSt (Uniaxial crushing stress (positive)) Ứng xuất bị ép dự trên 2 trục

Bây giờ chúng ta cần đến vật liệu cho cốt thép BEAM23: EX = 3e10, và PRXY = 0.3

Khác với bê tông do cốt thép có biểu đồ đơn giản hơn nên chỉ sử dụng: Bilinear:

Yield Stress: Ứng xuất biến dạng của cốt thép

Tang mod: góc độ mở của cốt thép khi làm việc trong điều kiện chảy dẻo (2e9), chọn Graph bạn sẽ thấy rõ đường này sẽ đi lên.

Mô hình bài toán:

Sử dụng Node để mô hình bài toán. toan độ điểm đầu là 0,0,0. Bạn dùng lệnh copy node: Preprocessor -> Model -> Copy -> Copy Node.

ITEM - Total Number of copies: Do đã tạo node đầu tiên là 0,0,0 chúng ta cần copy node theo trục OZ trước. Bước chia là 0.2/0.05 sẽ có 4 thành phần. Để tạo nên 4 thành phần đó cần 5 nodes: 1---2---3---4---5.

ITEM - Total Number of copies: 5

DZ Z-offset in active CS: 0.05 do mỗi node cách nhau 0.05m.

INC Node number increase: do mới bắt đầu copy nên chúng ta bắt đầu chạy từ 1.

Bấn APPLY. Chọn tiếp Pick All và làm tương tự với 0.175 cho bước chia ở OX và 0.05 cho bước chia OY. chúng ta sẽ thu được mô hình node như sau:

Bây giờ chúng ta cần chọn vật liệu để mô hình được element. Nhìn có vẽ hơi phực tạp nhưng nếu bạn để ý lện command ở trên thì điều này sẽ đơn giản hơn rất nhiều: E,1,2,3,4,5,6,7,8.... (Lên tạo element, 1,2,3,... là thứ tự các node)

Với SOLID65 thì có 8 nodes, 4 node thứ tự 1,2,3,4 ở dưới đáy của hình hộp, 5,6,7,8 ở mặt trên của hình hộp.

Để tạo ra được một element SOLID65, bạn chỉ cần gõ: E, 1, 2, 47,46,6,7,52,51 vì 1,2,47,46 là 4 nodes mặt dưới và 6,7,52,51 là 4 nodes ở mặt trên.

Sử dụng copy element. Chú ý ở đây không nên dùng DX, DY, DZ, bạn sẽ bị nhầm lẫn và tất nhiên là ANSYS sẽ tự động tạo ra một cơ số node mới cho elements. ITEME: 4 vì chúng ta có 5 nodes nhưng 5 nodes này chỉ tạo được 4 elements

NINC (Node number increment): ở đây bạn phải chú ý một điều khi copy theo trục nào thì nên chọn cuối cùng theo trục đó.

Copy lần đầu tiên cho 4 elements là 1

Copy lần thứ 2 cho 4 elements lên trên trục OY là 5

Copy lần thứ 3 cho tất cả element trên mặt phẳng ZOY sang trục OX là 45 (số cuối cùng trong trục ZOY)

Làm tương tự với BEAM23.

Sau khi tạo element bạn cần phải thêm điều kiện biên cho dầm: với lực ép là 4.05e5 N/mm2, do tính toán từ bê tông được Moment gây ra khả năng đứt gãy của bê tông -> lực cắt P -> P/A = áp lực (Solution -> Apply -> Structural -> Apply FOrce and Moment -> Pressure -> On Element) chọn tại vị trí 2/3 của nửa dầm.

Gối tựa cho dầm, ở đầu dầm chọn cách điểm dưới đáy dầm: UZ, UY. Ở mặt bên kia cho mô hình với nửa dầm chọn UX do dầm không thể chuyển vị ngang.

Sau khi mô hình xong chúng ta sẽ thu được dầm như sau:

Việt tiếp theo để chạy ứng dụng là bắt ứng dụng viết ra từng bước để xem sự phát triển của vết nứt:

Solution -> Sol'n COntrol. Xem chi tiết hình dưới.

Chạy chương trình: Solution -> Solve -> Solve Current LS

Sau khi trường kết thúc bài toán sẽ dược hiện thị thời gian bắt đầu xuất hiện vết nứt và sự phát triển của vết nứt đến lúc dầm hoàn toàn mất khả năng chịu lực. Ở bài toán này, do mô hình về vết nứt và đường cong kéo nén của bê tông nên chỉ thu đượcc 43%. (Hình).

Để xem được vết nứt và gãy trong bê tông, ANSYS cần được tắt chế độ hiển thị bề mặt:

PlotCtrl -> Device Control: Vector Mode: ON

Từ General PostProc -> Read Results -> By Pick: chọn một thời điểm bất kỳ của kết quả chọn READ để đọc dữ liệu.

Bây giờ kết quả mới được hiển thị bằng cách: General PostProc ->Plot Result-> Plot Concrete -> Crack and Crush

Kết quả thu được như sau, kết quả này cho thấy ở giữa dầm bê tông đang dần bị nứt.