- 1 -
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.


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].
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

Hình 3: Các mô hình bố trí thép trong
d
ầm BTCT (Tavarez2001)
[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

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.
lid 45 (3D Structural Solid) được sử dụng để mô hình hoá trục tai van bằng
ợc

ết gi

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.
Phần tử So
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 đư
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
k ữa phần tử bê tông
và cốt thép như Hình 4

a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song
Hìn ết giữa h 4: Mô hình sự liên k phần tử bê tông và

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
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579
- 5 -
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
σ
x
max
σ
y
max
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)

* Kết quả so sánh trường hợp bố trí thép hình rẻ quạt và thép song song có dự ứng lực trước

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 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