KHOA H O C - C O N G NGHE
Tinh toan ket cau ao duong mem
bang phan mem phan tir hOu han ABAQUS
• ThS. BUI V A N PHtl;TS. NGUYEN QUANG T U A N - TrUdng Dai hgc Giao thdng van tdi
TOM TAT: Co rat nhieu chuong trinh da va dang duqc SLJ dung de dy doan nhung ung xCi co hgc cua ket cau ao duong trong cac dieu kien tinh toan khac nhau Tuy nhien, cac phan mem tinh toan h§
nhieu lop hay duQC sd dung trong tinh toan ket cau so duong (Ahze, Bisar, 3D Move, Viscoroute...) thuong khong mo phong duoc cac bai toan c6 xet den tai trgng lap phuc tap va ung xd dan nhdt d4o cCia vat heu be tong nhua (BTN) Muc dich cija bai bao la su dyng chuong trinh phan tu hOu han ABAQUS de mo hinh hoa va tinh toan trgng thai ung suat bien dang cua ket cau ao duong mem khi COI vgt lieu la dan hoi tuyen tinh duoi tac dung cua t^i trpng tTnh. Cac ket qua nay duoc so sanh, doi chieu VOI ket qu^ da duoc tinh toan bdi chuong trinh tinh toan hp l<et cau nhieu lop tren nen ban khong gian v6 hgn Ahze cua Phap Ket qu^ thu duoc se la tien de de tac gici tiep tyc sd dung chuong trinh ABAQUS de phan tich, tinh toan ket cau ao duong mem duoi tac dung cua t^i trong dong va trong truong hop coi ung xu cua vat lieu la dan nhot tuyen tinh.
TL/ KHOA Ket cau ao duong, ABAQUS, Ahze, phan td huu han.
ABSTRACT; Many programshave been used to predict the mechanical behavior of pavement structures in different loading conditions However, software based on multi-layer calculation of pavement structure (Ahze, Bisar, 3D Move, Viscoroute,,,) often fail to simulate the cychclpadings and the viscoelastic behavior of asphalt concrete The aim of this paper is to use the ABAQUS finite element prpgram formodeling and calculating the pavement structure in case of linear elastic materials and static loadings. The calculation results are compared with ones done by the Alize software which is an analytical calculation pf the pavement structure simulated as a multi elastic layer on a semi-infinite elastic layer. The results allow using the ABAQUS program to analyze and calculate the flexible pavement structure under the effect of dynamic loading and considering the viscoelastic behavior of asphalt concrete
KEYWORDS: Pavement structure finite element
ABAQUS, Ahze,
I.OATVAND^
Hien nay, cd rat nhieu p h i n mem duoc sddung de tinh toan trang thai dng suat bien dang trong k^t eau ao dudng nhU: Alize, Bisar, 3D Move, Viscoroute... Cac tinh toan trong phan mem nay dUa tren md hinh he dan hoi nhieu Idp dat tren nen ban khdng gian vd han dan hoi. Mot sd rat it cae ehuang trinh (Viscoroute) cho phep tinh toan vdi dng xd eua vat lieu BTN la dan nhdt tuyen tinh. Tuy nhien, eae phan mem nay gap han che khi gap eae bai toan tinh toan ket cau ao dudng phde tap hOn nhU:Tinh toan 3D, tinh toan vdi tai trong lap lai nhieu lan (tinh lun, bien dang theo thdi gian), tinh toan khi dng xCt cua vat lieu theo cac md hinh phde tap... Trong khi do, phuong phap phan t d hdu han ed khci nang k h k phuc dugc cac van de nay. Phuong phap nay ed k h i nang ket hop eac md hinh dac tinh vat lieu phde tap de dU doan thue te ban eae dng xd cua ket cau dUdi tSi trong cua banh xe chuyen dpng trong cac dieu kien khac nhau. Bai bao trinh bay ket qua linh toan trang thai dng suit bien dang eua mot ket cau ao dUdng mem thdng dung bang phuong phap phan t d hdu ban ABAQUS.
Bude dau, bai bao chi tinh toan vdi ket cau 2D trong khi eoi vat lieu la dan hoi tuyen tinh va tai trgng banh xe phan bo deu tren mot dien tich hinh tron. Mue tieu ehinh la eung eap phuong phap sd dung chuong trinh phan t d hdu han ABAQUS de phan tieh tinh toan ket cau ao dudng mem. Ket qua tinh toan bao gom: Suphan bo eua bien dang keo udn (theo phuong ngang); dng suat keo uon (theo phuong ngang); bien dang thang ddng; dng suat thang ddng theo chieu sau eua eae ldp ao dudng...
Ket qua tinh toan se dUOc doi chdng vdi ehuong trinh phan mem tinh toan he dan hoi nhieu Idp Alize. Ket qua thu dupe trong bai bao se djnh hudng tiep cho eac nghien cdu tinh toan ket cau ao dUdng dudi tae dung eua tai trong dong phde tap va mo phong sU lam viec cua vat lieu va ket cau sat vdi thUe te.
2. M d HiNH TfNH T O A N V A C A C T H A M S 6 2.1. Ket cau ao dUdng m^m vti t h o n g so vat li^u Ket eau ao dUdng va thdng sd vat lieu duge trinh bay d Bdng 2.1. Day la ket cau ao dUdng pho bien dUOC sd dung tai Viet Nam. Ket eau gom ed 2 Idp BTN (ehi^u day tuong dng la 5cm va 7em}, hai ldp eap phoi da dam (CPOD) loai I va loai II (chieu day tUOng dng la 21cm v l 30cm) va Idp eat nen. Thdng sd ve vat lieu duac tham khao theo 22TCN 211 - 06 [1]. Vdi muc dich so sanh, chuong trinh phan t d hdu han ABAQUS va chuong trinh
86
KHOA H p c - C 6 N G N G H l
tinh toan he ket eau nhieu Idp Alize se sddung cung mdt thdng so ket cau va vat lieu nhu d Bdng 2.1. Cac thdng so ve tell trgng hay dieu kien dinh bam gida eac Idp (se trinh bay trong eae mue tiep theo) eung se ddoe khai bao nhu nhau trong hai phan mem. Bai bao tap trung ehu yeu vao viee tinh toan ap dung p h i n mem ABAQUS. Viee khai bao va tinh toan ket eau sddung p h i n mem Alize se khdng duoc trinh bay va ehi lay ket q u i de doi chdng.
Bang 2.1. Tinh chat vit lieu duoc sii dung trong mo hinh phan t&
huu han ABAQUS va Alizd
So 11/2018
Ldp do dirdng
L6p mat
Ldp mat du'di Ldp m6ng
tren Ldp mdng
dudi
Nen Vat li#u
BTN
BTN
CPDD
CPDD
a..„
Chieu (cm)
5
7
21
30
2247 Mo- hoi E (MPa)
1800
1600
300
250
40 H6s6 Poat
0.35
0,35
0.35
0.35
0 35
Tinh chdt vat lieu
Dang hiJ6ng va dan hoi tuyen tinh Dang hudng va dan hoi
tuyen tinh Dang hudng va dan hoi
tuyen tinh D i n g hudng va flan h6i
tuyen tfnh Oang hi/dng va dan hoi
tuyen ti'nh
2.2. Tai trong
Dang tai trong dugc xet den trong tinh toan la tai trgng dugc ap dung trong tinh toan thiet ke ket cau ao dudng mem 22TCN 211 -06. T^l trpng dUOc phan bo tren dien tich hinh trdn dudng kinh 33cm vdi ap lue p - 0.6 Mpa (Hinh 2.1).
d = 33cm p = 0.6MPa
Hinh 2.1: Dang md hinh tii trpng sddung trong tinh toan
2.3. Md hinh va chia ludi
Cae tinh toan duge thue hien vdi md hinh 2D trong ABAQUS, Boi vdi ban khong gian dan hoi ehiu tai trong phan bd deu tren dien tieh hinh trdn, viee xae dinh kich thude mien tac dyng la rat quan trpng. Theo Kim et al.
(2009) [2], degiam s u l n h hudng eua dieu kien bien den ket q u i tfnh toan, md hinh ket eau dugc thUc hien nhu Hinh 2.2. Mien anh hudng eua tai trong cd the duge bd qua khi khoang elch theo phuong ngang Idn hOn 20 l l n ban kinh vung chju lUc va khoing each theo phuong t h i n g ddng Idn hon 140 l l n ban kinh vting ehiu lUe (Hinh 2.2;.Tren thUc te, 5m sau dudi day ket eau ao dudng I n h hudng cua t l i trpng da giam dang ke.Tuy nhien, do tinh toan 2D dan hoi khdng chiem nhieu bd nhd va thdi gian tfnh toan, ket cau ao dUdng van dUOc md phong vdi ldp nen ed chieu day rat Idn de cang chinh xie hda ket q u i n h l n duge.
jiwOj-iB fc Ji-. 1 -1» iir^ j ^
BH!lH!.I-'tllPh"«,». .H-
Hinh2.2:Mdhinh2D
Tao ludi eung la mdt yeu td quan trong trong phan tfeh phan t d hdu han. Rd rang r i n g mot sU chia ludi tot se dan ket nhung ket qua eudi eung dang tin cay, nguge lai se dan den ket qua khong ehfnh xae. Thu vien cua ABAQUS [3] eung cap mot loat nhdng loai phan t d bao gom phan t d 3D, phan t d 2D va 1D. Kleu chia ludi khdng dong deu duge ap dyng trong md phdng, Ludi min dugc ap dung cho tang mat (BTN), lUdi thUa dugc ap dyng cho tang mdng (da dam va nen eat}. Ngoai ra, lUdi min cung duge ap dyng eho pham vi tiep xuc gida banh xe vdi mat dudng (Hinh 2.2). Trong phan tfeh eua bai bao, loai phan t d 2D CAX8R (8-node biquadratic axisymmetric quadrilateral, reduced integration} vdi hai bac t u do tai moi nut (chuyen vj theo phuong x va y) dugc sd dung.
39420 phan t d CAX8R va 119207 nut eho md hinfi da duac tao ra de mo phong ket c l u .
2.4. Dieu kien bien
.y^
^
Hinh 2.3: Oieu kien bien cua md hinh Bieu kien bien duoemdta nhUtrong Hin/i 2.3. Mat day dugc eoi la ngam va mat ben la goi di dgng theo phuong y. Do ed su ddi xdng eua lUe tae dung va cua dang hinh hgc, ket eau duoc tfnh toan tren mdt nda eua he nhieu Idp vdi trye ddi xdng la y [Hinh 2.3). Cac Idp dugc eoi la dinh bam vdi nhau hoan toan (eung chuyen vi}.
3.KETQUAVA€)ANHGIA
Bdng 3.1 va Bang 3.2 mo t l ket qua eua hai md hinh ABAQUSva Alize. Bien dang va dng suat keo uon la eac Ung suat bien dang theo phuong x n i m ngang (Bdng 3.1). Bien dang va dng suat thang ddng la elc dng suat bien dang theo phuong thang ddng y (Bang 3.2). Cac dng suat bien dang tinh toan tai Sdng 3.1 va Sdng 3.2
87
KHOA HOC-CONG NGHl
la elc gia tri duoc tinh toan tai vl trf tam eua t l i trgng va nam d dfnh hay day cua cae Idp ket eau. Gil tri dng suit bien dang duong la ehiu nen cdn nhd hon 0 (am) la ehiu keo.
Bang 3.1. Ket qui tinh toin fblen dang va dng suat keo udn) Chieu day
cac Idp ket cau ao dudng
Im)
0,050
0-070
0210
0 300
22.47 Chieu sau
cac Idp ket cau (ml 0 000 -0 050 -0.050 -0.120 -0,120 -0,330 -0.330 -0.630 -0,630 -23.10
Bien dang keo udn (iim/m) ABAQUS (phantLT CAX8R) 342.9 44.8 44.8 -295.4 -295 8 -189.5 -1895 -199 8 -1998
ALIZE 345 7 47 2 47,2 -293 5 -293.5 -189.3 -189.3 -202.2 -202.2
Ung suat keo uon (MPa) ABAQUS tphantCi CAX8R) 1 27 0.403 0 389 -0.554 0 036 -0,033 -0-018 -0 066 -0.002
ALIZE 1 280 0410 0,395 -0.550 0 037 -0,033
•0.018 -0 067 -0.002
Bing 3.2. Ket qui tfnh toin (bien dang va ung suat thing dung) Chieu
day cac ldp ket cauao dudng {m}
0,050
0.070
0210
0,300
22.47 Chieu sau cac Idp ket (m) 0,000 0,050 0,050 0,120 0,120 0,330 0 330 0,630 0,630 -23.10
8ien dang thSng du'ng (nm/m) ABAQUS (phantLJ CAX8R) -161,1 131,4 153,7 442.6 984,4 414,7 456.9 263 8 520 0
ALIZE
-164,6 128,5 150.9 440.9 982.2 4147 456 9 266 5 522,7
Ong suat thang ddng (MPa) ABAQUS Iphantif CAX8R) 0.600 0519 0,518 0,320 0.321 0102 0 102 0 020 0.020
ALIZ^
0.600 0518 0.518 0321 0.321 0 101 0.101 0.020 0.020
-
) -100 0 100 !00 300 400
—ABAQUS
• AUZE
Hinh 3.2: So sanh ling suat keo udn <r^ theo phuong ni cac Idp io dudng BL<nd|nE lbiD£ doni (jun'iD)
Hinh 3.3: So sanh bien dang thing dung —„giua cic lap io dudng fTog suit ming dvng (MPi)
Hinh 3.1: So sanh bien dang keo udn —-^^ theo phuang ngang giOa eae lop io dudng
Hinh 3.4: So sinh ling suat thang ddng a giua cae lop ao dudng Hinh 3.1. 3.2, 3.3, 3.4 so sinh ket q u i cae trang thai suat bien dang phan bd theo chieu sau eae Idp ket clu dugc tfnh toan bdi ABAQUS va Alize. Td ket qua nhan duge ta thay ring, ket qua t d hai chuong trinh rat sat nhau. Sai so Idn nha't khi so sanh hai ket q u i bien dang keo uon, dng suat keo uon, bien dang t h i n g ddng, dng suit t h i n g ddng tai cae diem tfnh toan tuong dng la 5.4%, 2.1%, 2.2%, 2.3%. Bieu dd chdng td khi tfnh t o i n 2D, phuong phap p h i n t d hdu han eho ket q u i tuong t u cae phuong phap tfnh toan cO hgc dUa tren mo hinh he dan hoi nhieu Idp tren nen khdng gian b i n vd han dan hdi.
Cd the nhan thay bien dang keo uon va dng suat thang ddng la lien tye khi qua mat phan each gida eac Idp. Trong khi, dng suat keo udn va bien dang thang ddng CO bUde nhay the hien sU mat lien tue. Hien nay, bieu do dng suat thang ddng thudng dugc de cap nhieu trong elc tai lieu giang day d Viet Nam. Tuy nhien, p h l i khSng djnh rang cae dng suit va bien dang theo phUOng ngang deu la cae gia tri quan trgng trong tfnh t o i n va thiet ke ket c l u ao dudng. Hieu rd su p h i n bo dng suat bien dang theo cac phuong trong ket cau I o dUdng se
88
KHOA H p c - CONG N G H |
giup danh gia v l thiet ke tdt hon ket c l u dudng d td.
Cung can chu y rang, ket q u i tren Hinh 3.1 vd3.2 cho thay tai day Idp BTN ben dudi chiu keo. Khi so sanh cac g i i tri dng suat keo uon dudi day ldp BTN tinh toan bdi cae chuong trinh vdi gia tri nhan dugc theo 22TCN 211 -06 thi ket qua theo 22TCN 211-06 thudng cho gia tn eao hon nhieu [4].
Hinh 3.5 md t l sU bien thien cua gia tri chuyen vi thang ddng (dp vdng) tai eac diem tren be mat ket cau ao dudng. Bg vdng Idn n h i t dat dugc tai vi trf tam banh xe b i n g -0.807mm. Trong khi do, gia trj tUOng dng thu dugc t d chugng trinh Alize la -0.772mm. Hinh 3.6 md ta hinh dang dddng bao eua bien dang t h i n g ddng theo phuong y. Cd the n h l n t h i y ring gia tn dp vdng g i l m dang ke khi diem tfnh toan each tam tai trgng 3.3m.
So 11/2018
Hinh 3.5: Chuyen vi tai be mat ket cau tfn toan bang chuong trinh ABAQUS
Hinh 3.6: Hinh inh 2D cda chuyen vi thing dung
4. KET UiMi
Bai bao da phat trien mot mo hinh cua ket elu mat dudng BTN b i n g phan mem phan t d hdu han ABAQUS.
Qng xdco hpe cua ket eau ao dudng dudi tae dung eua t l i trgng xe dugc tfnh toan va sU phan bd dng suat bien dang theo ehieu sau cua ket c l u dugc p h i n tfeh. Ket q u i tfnh toan b i n g ABAQUS duge so sanh vdi ket q u i dugc tfnh toan bdi chuung trinh tfnh toan he nhieu ldp Alize Td do, mot so elc ket luan sau dugc rut ra:
- Tfnh t o i n ket cau ao dUdng mem bang chuong trinh phan t d hdu han (ABAQUS) eho ket q u i tuong t d vdi cic chuong trinh tfnh toan he ket c l u nhieu Idp tren nen ban khdng gian vd han (Alize);
- Bien dang keo udn va dng suit t h i n g ddng la lien tue khi qua mat phan each gida eae Idp trong khi dng suit keo uon va bien dang t h i n g ddng cd budc nhay (th^ hien sU mat lien tye). Ngoai bieu do ve dng suat t h i n g ddng, sU phan bd eae dng suit va bien dang khac cin duge quan t i m hon trong tfnh toan thiet ke ket eau ao dudng d Viet Nam;
- Hinh dang ehlu vdng cCia mat dudng dugc tinh toan va the hien. Gil tri do vdng tai t i m t l i trgng tinh
theo ABAQUS eho ket q u i tUong tukhi tfnh theo ehuong trinh Alize.
Ket qua nay la cO sd de tiep tye phat trien md hinh tfnh toan ket cau ao dudng mem b i n g ABAQUS cho eae bai toan phde tap hon: 3D, tae dung eua tai trgng ddng lap lai, tinh chat cua vat lieu la d i n nhdt tuyen tinh, d i n deo nhdt... •
Tai lieu tham khao
[ 1 ]. 22TCN 211 -06, Ao dUdng mem - Cdc yeu cau thiet ke.
[2]. Kim, M., Tutumluer, E., & Kwon, J. (2009), Nonlinear pavement foundation modeling for three- dimensional finite-element analysis of flexible pavements.
International Journal of Geomechanics, 9(5), 195-208.
[3]. ABAQUS Analysis User's Manual 6.14-2, Dassault Systemes Simulia Corp., Providence, RI, USA.
[4]. Nguyen Quang TuIn, Hoang Thi Thanh Nhan, TrIn Thg CUdng (2015), Tinh nhdt cua BTN trong tfnh todn M t cdu mdfdi/dng. Tap ehf Cau dudng Viet Nam, tr.31-34, so 7.
Ng^y nhan bai: 19/10/2018 Ngdy chap nhan dang: 02/11/2018 Ngudi phan bien: GS. TS. Bui Xuan Cay
PGS.TS. Nguyen Quang Phuc