Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp.pdf (Luận án Tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÂM THANH QUANG KHẢI NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI LÂM THANH QUANG KHẢI NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP MÃ SỐ : 62.58.02.08 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. LÊ THANH HUẤN 2. GS. TS. NGUYỄN TIẾN CHƯƠNG HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Tác giả luận án Lâm Thanh Quang Khải ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy PGS. TS. Lê Thanh Huấn và thầy GS.TS. Nguyễn Tiến Chương đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị và thường xuyên động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học của tác giả. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Trung tâm thí nghiệm và kiểm định chất lượng công trình, các cán bộ, giảng viên, thí nghiệm viên Phòng thí nghiệm công trình của Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu thực nghiệm của luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các cán bộ, giảng viên Bộ môn Kết cấu bêtông cốt thép, Khoa Xây dựng, Khoa Sau đại học Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, nơi tác giả đã nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn các Chuyên gia, các Nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến để luận án được hoàn thiện. Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây dựng Miền Tây, nơi tác giả đang công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành tốt luận án. Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn đối với gia đình, người thân đã động viên khích lệ và chia sẻ những khó khăn với tác giả trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án. Tác giả luận án Lâm Thanh Quang Khải iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. ii MỤC LỤC ....................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................ ix DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................. xii DANH MỤC CÁC BẢNG.............................................................................. xiii DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................... xv MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài........................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................... 4 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ............................................ 4 6. Kết cấu luận án .................................................................................... 4 7. Những đóng góp mới của luận án. ...................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP CONG HAI CHIỀU .............................................. 7 1.1. Tổng quan các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều một lớp .......................................................... 7 1.1.1. Các nghiên cứu lý thuyết .................................................................. 7 iv 1.1.1.1. Các nghiên cứu giải tích............................................................. 7 1.1.1.2. Các nghiên cứu theo các phương pháp số.................................. 10 1.1.2. Các nghiên cứu thực nghiệm............................................................. 13 1.2. Tổng quan các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp ............................................ 16 1.3. Các nội dung cần nghiên cứu của luận án ................................................ 19 CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT TÍNH MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐ THÉP CONG HAI CHIỀU DƯƠNG NHIỀU LỚP ............................................. 20 2.1. Các khái niệm và ứng dụng của mái vỏ mỏng ......................................... 20 2.1.1. Các khái niệm về mái vỏ mỏng......................................................... 20 2.1.2. Phạm vi ứng dụng và ưu điểm của mái vỏ mỏng ............................. 22 2.1.3. Mái vỏ thoải cong hai chiều đã xây dựng trong và ngoài nước ........ 22 2.2. Lý thuyết tính cơ bản về mái vỏ thoải cong hai chiều dương một lớp .... 23 2.2.1. Hệ phương trình của Vlasov ............................................................. 23 2.2.2. Tính toán vỏ theo trạng thái phi mô men ......................................... 25 2.2.2.1. Dùng chuỗi lượng giác kép của Navier .................................... 25 2.2.2.2. Dùng chuỗi lượng giác đơn của Lévi ........................................ 26 2.2.2.3. Dùng phương pháp điểm (bán giải tích) ................................... 26 2.2.3. Tính toán vỏ theo trạng thái mô men ............................................... 31 2.2.3.1. Tính toán vỏ theo lý thuyết hiệu ứng biên ................................ 31 2.2.3.2. Tính toán vỏ theo lý thuyết mô men tổng quát .......................... 32 2.3. Lý thuyết tính mái vỏ thoải cong hai chiều dương nhiều lớp ................. 34 v 2.3.1. Hệ phương trình giải mái vỏ thoải bêtông cốt thép cong hai chiều dương nhiều lớp mặt bằng chữ nhật ............................................................... 34 2.3.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải cong hai chiều dương nhiều lớp ......................................................................................................... 37 2.4. Lời giải cho bài toán mái vỏ thoải nhiều lớp theo lý thuyết vỏ một lớp tương đương ................................................................................................... 42 2.4.1. Mái vỏ thoải hai lớp ......................................................................... 42 2.4.1.1. Lời giải giải tích ........................................................................ 42 2.4.1.2. Lời giải phương pháp PTHH thông qua phần mềm Sap2000 ... 47 2.4.2. Mái vỏ thoải 5 lớp ............................................................................. 52 2.4.2.1. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải 5 lớp với điều kiện biên tựa khớp ........................................................................................... 52 2.4.2.2. Trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ thoải 5 lớp với điều kiện biên ngàm ................................................................................................ 61 2.5. Nhận xét ................................................................................................... 64 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI BÊTÔNG CỐT THÉP HAI LỚP BẰNG THỰC NGHIỆM ........................................................................................................ 66 3.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm ....................................... 66 3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .................................................... 66 3.1.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .................................................... 67 3.2. Cơ sở thiết kế mẫu và mô hình thí nghiệm .............................................. 68 3.2.1. Cơ sở thiết kế .................................................................................... 68 vi 3.2.2. Thiết lập mô hình thí nghiệm cho luận án ........................................ 69 3.2.3. Các tiêu chuẩn thiết kế ...................................................................... 71 3.3. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm ......................................................... 71 3.3.1. Vật liệu .............................................................................................. 71 3.3.2. Mẫu thí nghiệm ................................................................................. 72 3.3.3. Mục đích, loại và vị trí dán strain gage ............................................. 74 3.3.4. Chế tạo mẫu thí nghiệm .................................................................... 75 3.3.5. Bảo dưỡng mẫu ................................................................................. 78 3.4. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ............................................... 78 3.4.1. Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bêtông ........................ 78 3.4.2. Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của bêtông ............................ 81 3.4.3. Thí nghiệm kéo thép ......................................................................... 83 3.5. Thí nghiệm mái vỏ thoải bêtông cốt thép 2 lớp ....................................... 83 3.5.1. Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm ......................................................... 85 3.5.2. Tiến hành thí nghiệm ........................................................................ 89 3.5.3. Kết quả thí nghiệm mái vỏ thoải 2 lớp.............................................. 93 3.5.3.1. Biểu đồ biến dạng trong mái vỏ ................................................. 94 3.5.3.2. Biểu đồ ứng suất, nội lực và độ võng trong mái vỏ ................... 97 3.6. Nhận xét ................................................................................................... 100 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA MÁI VỎ THOẢI HAI LỚP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ KHẢO SÁT THAM SỐ ........................................................................................... 101 vii 4.1. Giới thiệu phần mềm ANSYS và các nội dung nghiên cứu .................... 101 4.1.1. Giới thiệu sơ lược về phần mềm ANSYS ......................................... 101 4.1.2. Các nội dung nghiên cứu mô phỏng số ............................................. 103 4.2. Lựa chọn mô hình hóa cốt thép sợi phân tán trong bêtông ...................... 104 4.3. Lựa chọn mô hình hóa vết nứt trong bêtông ............................................ 105 4.4. Lựa chọn mô hình tiếp xúc giữa 2 lớp bêtông ......................................... 106 4.5. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho mái vỏ ...................................... 111 4.5.1. Phần tử trong mô hình ....................................................................... 111 4.5.2. Chia lưới cho mô hình....................................................................... 112 4.5.3. Điều kiện biên và tải trọng tác dụng ................................................. 113 4.6. Mô hình vật liệu ....................................................................................... 113 4.6.1. Mô hình vật liệu bêtông .................................................................... 113 4.6.1.1. Mô hình ứng suất biến dạng của bêtông khi chịu nén ............... 114 4.6.1.2. Mô hình ứng suất biến dạng của bêtông khi chịu kéo ............... 118 4.6.2. Tiêu chuẩn phá hoại của bêtông........................................................ 118 4.7. Thông số đầu vào cho mô hình ................................................................ 119 4.8. Kết quả nghiên cứu giữa thí nghiệm và mô phỏng số ............................. 121 4.8.1. Độ võng của các phương pháp trong vỏ ........................................... 121 4.8.2. Ứng suất của các phương pháp trong vỏ........................................... 122 4.8.3. Độ võng và ứng suất của mái vỏ ở cấp tải bắt đầu bêtông xuất hiện vết nứt .............................................................................................................. 124 4.8.4. Nhận xét ............................................................................................ 125 viii 4.9. Khảo sát các tham số ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất biến dạng của mái vỏ bằng mô phỏng số ............................................................................... 125 4.9.1. Tham số bề dày từng lớp ................................................................... 125 4.9.2. Tham số vị trí lớp bêtông sợi ............................................................ 129 4.9.3. Khảo sát trượt các lớp trong mái vỏ thoải......................................... 131 4.10. Trạng thái ứng suất biến dạng mái vỏ thoải 36×36m ............................ 134 4.11. Nhận xét ................................................................................................. 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 141 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 143 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................ 144