Đánh giá ứng xử cơ học của liên kết kháng cắt dạng perfobond luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng tại Việt Nam, đặc biệt ở Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, đang gia tăng mạnh mẽ Việc sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép truyền thống thường dẫn đến kích thước lớn, nặng nề và tốn kém, ảnh hưởng đến không gian sử dụng và tính thẩm mỹ Để khắc phục những hạn chế này, giải pháp kết cấu liên hợp thép-bê tông đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới cho các công trình nhiều tầng, mang lại hiệu quả kinh tế cao và đảm bảo tính thẩm mỹ Từ năm 2006, Việt Nam đã bắt đầu nghiên cứu và biên soạn tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép-bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu.

Kết cấu liên hợp thép bêtông là một giải pháp xây dựng kết hợp giữa thép kết cấu và bê tông hoặc bêtông cốt thép, cho phép cả hai vật liệu cùng tham gia chịu lực Các cấu kiện cột liên hợp thường sử dụng thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc bê tông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống nhồi đầy bê tông hoặc bêtông cốt thép.

Hình 1 1 Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép [1].

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này sẽ khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng đóng trong dầm liên hợp bê tông - thép Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều sẽ được áp dụng để mô phỏng hoạt động của liên kết perfobond với hình dạng lỗ tròn Các nhóm mẫu khác nhau sẽ được phân tích nhằm đánh giá cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của liên kết Thông qua việc thay đổi các thông số mục tiêu trong các mẫu mô phỏng, nghiên cứu sẽ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến sức chống cắt của liên kết mà các thí nghiệm thực tế chưa khám phá hết.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các mẫu liên hợp bê tông – thép định hình tiết diện chữ I đã được khảo sát để nghiên cứu liên kết perfobond Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu lực cắt, độ mềm và hình thức phá hoại của liên kết.

Phương pháp thực hiện

Để đánh giá khả năng ứng xử của liên kết kháng cắt, một chương trình mô phỏng phần mềm PTHH đã được triển khai nhằm khảo sát ảnh hưởng của một số thông số Các thông số này bao gồm hàm lượng cốt thép trong liên kết và cường độ chịu nén của bê tông.

Chương trình tính toán mẫu ban đầu tuân theo hướng dẫn của EC4, trong khi các mô phỏng thí nghiệm Push-out được thực hiện trên phần mềm Ansys Hai nhóm mẫu khác nhau đã được sử dụng để xác định cơ chế truyền lực và độ dai của liên kết.

Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài

Hầu hết các hồ sơ thiết kế kết cấu liên hợp đều thiết kế chi tiết liên kết giữa dầm thép và bản sàn bê tông cốt thép chịu lực tác động giống nhau Tuy nhiên, cách bố trí và tính toán này không tối ưu Kết quả khảo sát thực nghiệm sẽ là nguồn tài liệu quý giá cho các nhà thiết kế trong việc lựa chọn và thiết kế số lượng liên kết kháng cắt phù hợp trong tương lai.

Cấu trúc luận văn

Luận văn này được chia làm 4 phần chính như sau

Chương 1 Giới thiệu sơ lược về đề tài, mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Chương 2 Phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu đã có của các tác giả trong và ngoài nước.

Chương 3 Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push out nhằm khảo sát cơ chế truyền lực và khả năng làm việc của liên kết, từ đó đề xuất được liên kết tối ưu Thực hiện các phép so sánh với thực nghiệm để minh chứng tính đúng đắn của mô hình.

Chương 4 Kết luận và hướng phát triển tương lai

TỔNG QUAN

Giới thiệu kết cấu liên hợp bê tông- thép

Kết cấu liên hợp là sự kết hợp giữa bê tông cốt thép và kết cấu thép, thường được gọi là thép hình, bao gồm các dạng tấm, thanh định hình hoặc ống Trong các công trình xây dựng, kết cấu liên hợp được sử dụng cho các cấu kiện chịu lực như dầm, sàn, cột, dàn vòm và các chi tiết liên kết ở những vị trí chịu lực đặc biệt Phần thép hình có thể nằm ngoài bê tông, hoàn toàn trong bê tông hoặc một phần trong bê tông, tùy thuộc vào thiết kế cụ thể.

Bê tông đổ tại chỗ

Lưới cốt thép Đinh chống cắt

Hình 2 1 Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép [2]

Hình 2.1a và 2.1b minh họa các dạng điển hình của tiết diện kết cấu liên hợp, trong khi hình 2.1c trình bày một ứng dụng phổ biến của kết cấu này trong hệ dầm sàn tại Việt Nam hiện nay.

Kết cấu liên hợp đang trở thành xu hướng phổ biến trong xây dựng nhờ vào khả năng chịu lực tối ưu của bê tông và cốt thép Bê tông hiệu quả trong việc chịu nén, trong khi cốt thép lại phát huy tốt nhất khi chịu kéo Sự kết hợp này không chỉ tăng độ cứng cho cấu kiện mà còn giảm nguy cơ mất ổn định so với kết cấu thép thuần túy Bên cạnh đó, bê tông có khả năng chống ăn mòn, nhiệt và cháy, trong khi cốt thép làm cho cấu trúc trở nên dẻo dai hơn, tăng cường độ cứng hình học và giảm độ võng của kết cấu.

Sơ lược về liên kết chống cắt trong kết cấu bê tông- thép liên hợp

Hình 2.2 minh họa sự làm việc của liên kết chống cắt trong kết cấu dầm sàn liên hợp. a) Không liên kết

Tiết diện dầm Biến dạng Ứng suất chịu uốn Ứng suất chịu cắt b) Liên kết hoàn toàn Ứng suất dẻo tới hạn Ứng suất đàn hồi

Biến dạng Ứng suất chịu uốn Ứng suất chịu cắt

Hình 2.2 Biểu đồ ứng suất – biến dạng [3] a) Không có liên kết chống cắt b) Liên kết hoàn toàn

Nếu không có liên kết giữa dầm và sàn bê tông, hai lớp vật liệu sẽ trượt lên nhau, dẫn đến biểu đồ ứng suất như hình 2.2a, giả định rằng liên kết có độ cứng tuyệt đối Tuy nhiên, trong thực tế, liên kết cắt không bao giờ hoàn toàn cứng, vì sẽ luôn xảy ra sự trượt tại bề mặt tiếp xúc Độ dai của liên kết cho phép phân phối lại lực cắt dọc trên bề mặt tiếp xúc, như thể hiện trong hình 2.2b.

Khi lực cắt dọc theo mặt tiếp xúc bị ngăn cản bởi liên kết chống cắt, ứng suất tại mặt tiếp xúc sẽ đồng nhất, dẫn đến việc dầm hoạt động như một kết cấu liên hợp hoàn chỉnh.

Liên kết cắt đóng vai trò quan trọng trong việc truyền lực từ sàn bê tông sang dầm thép, giúp kiểm soát sự trượt giữa hai thành phần này khi chịu lực uốn Cấu tạo của liên kết cắt ảnh hưởng lớn đến hiệu suất làm việc của kết cấu dầm Nhiều yếu tố quyết định khả năng chịu lực của dầm, bao gồm cường độ đường hàn và vật liệu của kết cấu thép cũng như bê tông xung quanh liên kết Sự phân bố lực cắt và mối quan hệ giữa khả năng chịu lực và biến dạng cũng rất quan trọng Liên kết chống cắt được chia thành hai loại: dai và không dai.

Liên kết dẻo Liên kết không dẻo

Hình 2 3 Biểu đồ đánh giá độ mềm của liên kết [4]

Hiện nay, có nhiều loại liên kết chống cắt được sử dụng trong xây dựng, bao gồm liên kết đinh mũ truyền thống và các loại khác như bu long (bolt connector), thép C (channel connector) và thép T (T-shape connector) Hình 2.4 minh họa quy trình thi công liên kết bằng thép C và T tại công trường, đồng thời thể hiện mặt cắt qua liên kết trong kết cấu liên hợp.

Hình 2 4 Thi công liên kết bằng thép C và T [5]

Một số nghiên cứu về vật liệu liên hợp bê tông- thép

Năm 2002, K BASKAR, N.E SHANMUGAM và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm trên các tấm bê tông-thép liên hợp chịu cắt uốn đồng thời, với 6 mẫu thử được ghi nhận ứng xử tới tải phá hoại cuối cùng Nghiên cứu khảo sát các độ dày lỗ tròn khác nhau và thời gian chịu cắt khác nhau, cho thấy chi tiết ứng xử của mẫu qua đồ thị ứng suất Kết quả cho thấy khả năng chịu tải trọng của mẫu tăng đáng kể so với tấm thép.

Năm 1999, Gaetano Manfredi và các cộng sự đã đề xuất mô hình lý thuyết đầy đủ cho các tương tác giữa kết cấu thép và sàn bê tông, tập trung vào các đầu nối giữa thép và bê tông Mô hình này chủ yếu nghiên cứu lực trượt bề mặt giữa hai vật liệu, góp phần quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về sự liên kết giữa chúng.

Năm 2016, Chu Thị Hải Vinh đã tiến hành thí nghiệm push-out trên mẫu thép – bê tông liên hợp với liên kết kháng cắt dạng hở, tập trung vào ảnh hưởng của mác bê tông và hàm lượng cốt trong lỗ liên kết đến khả năng chịu lực Tuy nhiên, tác giả chưa thực hiện các tính toán mô phỏng để kiểm chứng kết quả thí nghiệm và khảo sát thêm các trường hợp chưa được thực nghiệm.

Vào tháng 8 năm 2020, Jun Wei cùng các cộng sự đã phát triển một đề án khai thác dữ liệu 3D thông minh nhằm phân tích biến dạng của kết cấu liên hợp Đề án này sử dụng phương pháp chọn lọc dữ liệu kết hợp với công nghệ laser 3D có độ chính xác cao để phân tích chuyển động và so sánh sự biến dạng với các dữ liệu khác.

Vào năm 2014, M Lezgy-Nazargah và các cộng sự đã giới thiệu một phương pháp đẳng tuyến để phân tích dầm liên hợp bê tông – thép, dựa trên các hàm cơ sở B-spline không đồng nhất (NURBS) Phương pháp này sử dụng lý thuyết bậc cao để tạo ra các phương trình điều chỉnh thông qua nguyên tắc công ảo Công thức đẳng thức đề xuất đã được xác nhận bằng cách so sánh với kết quả từ phần tử hữu hạn ba chiều (3D) và các kết quả có sẵn Bên cạnh việc dự đoán chính xác sự phân bố của tất cả các thành phần ứng suất trong dầm bê tông cốt thép hỗn hợp, công thức này còn cho thấy tính toán kinh tế.

Năm 2014, Alessandro Zona và cộng sự đã nghiên cứu về ma sát trượt tại mặt tiếp xúc giữa liên kết thép và bê tông, nhằm cung cấp thông tin chi tiết về ma sát trượt trong đinh chống cắt của dầm liên hợp bê tông thép Nghiên cứu sử dụng mô hình dầm phi tuyến và so sánh với các thử nghiệm thực nghiệm trước đó Họ cũng chỉ ra rằng phân phối đinh chống cắt có ảnh hưởng quan trọng, và việc áp dụng phân phối không đồng nhất với nhiều đầu nối gần các giá đỡ có thể giúp hạn chế ma sát trượt Kết quả nghiên cứu này có thể hỗ trợ thiết kế hiệu quả hơn cho đinh cắt trong dầm liên hợp bê tông thép, đồng thời làm cơ sở cho các cải tiến trong các khuyến nghị thiết kế hiện tại.

Trình tự thiết kế dầm theo Eurocode 4

Quy trình thiết kế kết cấu liên hợp thép bêtông nhìn chung cũng giống như các loại kết cấu khác, được thực hiện theo các bước chính sau

Lựa chọn hình dạng và kích thước cho các tiết diện của cấu kiện chính như bản sàn, dầm, cột và giằng đứng là bước quan trọng trong thiết kế kết cấu Cần chú ý đến cấu tạo nút khung liên kết, bao gồm các loại khớp, nửa cứng và cứng Đặc biệt, cột phải đảm bảo không quá mảnh để đảm bảo tính ổn định Quy trình này chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế và kết quả tính toán sơ bộ.

Phân tích hệ kết cấu là bước quan trọng để xác định nội lực và biến dạng của các cấu kiện như dầm, cột và nút khung dưới các tổ hợp tải trọng nguy hiểm Trong quá trình này, bản sàn có thể được tính toán riêng, nhưng cần lưu ý rằng một phần bề rộng của tiết diện bản sàn phải được tính vào để phối hợp làm việc hiệu quả với dầm sàn.

- Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu đã chọn và kiểm tra theo các trạng thái giới hạn về chịu lực và biến dạng.

Theo EuroCode 4 dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép được tính toán và thiết kế dựa trên các nguyên lý thiết kế trạng thái giới hạn.

► Trạng thái giới hạn tới hạn về cường độ

► Trạng thái giới hạn tới hạn về sử dụng

2.4.1 Kiểm tra theo trạng thái giới hạn về cường độ

Khi khảo sát theo trạng thái giới hạn về cường độ cho một tiết diện ngang của một cấu kiện hay một liên kết yêu cầu

S d là giá trị tính toán cần thiết để đánh giá các tác động của tải trọng trong quá trình sử dụng và thi công Khi xác định S d, cần xem xét các tổ hợp tải trọng bất lợi để đảm bảo tính chính xác và an toàn cho công trình.

+ R d - sức bền tính toán tương ứng của tiết diện khảo sát, phụ thuộc vào cường độ đặc trưng của các loại vật liệu trên tiết diện

R d = R d (f y / ó a , f ck / ó c , f ys / ó s , f yp / ó ap ) (2.2) Với

+ f y giới hạn chảy của vật liệu thép cứng;

Hệ số an toàn vật liệu cho thép cứng thường được xác định là ó = 1, trừ trường hợp kiểm tra ổn định của phần thép như oằn và cong vênh, khi đó sử dụng hệ số điều chỉnh óRd = 1,10 Cường độ chịu nén của bê tông được ký hiệu là f ck.

+ ó c hệ số an toàn vật liệu cho thép, thường ó a = 1,50;

+ f ys giới hạn chảy của vật liệu cốt thép thanh;

+ ó ys hệ số an toàn vật liệu của cốt thép thanh, ós = 1,15;

+ f yp giới hạn chảy của vật liệu làm tôn sàn;

+ γ ap hệ số an toàn vật liệu của tôn sàn, γ ap = 1,10.

Khi tính liên kết dùng hệ số an toàn vật liệu làm chốt γ v

2.4.1.2 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan

Khi tiến hành uốn, một phần tấm đan của sàn bê tông sẽ kết hợp với dầm thép, tạo thành tiết diện hình chữ T Trong phạm vi bề rộng tham gia làm việc b_eff, ứng suất pháp được coi là phân bố đều.

+ Đối với dầm đơn giản, giá trị của b eff được lấy như sau (Hình 2.6) b eff = b c1 + b c2 (2.3)

Với b ci = min (l 0 /8, b i ) (2.4) l 0 là nhịp dầm.

Hình 2 5 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan tương ứng với một dầm

+ Đối với dầm liên tục cũng dùng công thức trên nhưng l 0 được lấy theo Hình 2.6, chia ra theo vùng mômen dương (ở nhịp) và mômen âm (ở gối tựa).

Hình 2 6 Nhịp tương đương để xác định chiều rộng hiệu dụng của tấm đan.

2.4.1.3 Phân loại tiết diện ngang

Khi khảo sát sự làm việc của dầm liên hợp chịu tải trọng, có thể phân loại thành 4 loại dựa trên khả năng xoay của tiết diện khi chịu uốn, tương tự như trong kết cấu thép.

Loại 1 tiết diện có khả năng phát triển mô men bền dẻo M +pl.Rd (do mô men uốn dương) hoặc M -pl.Rd (do mô men uốn âm), đồng thời có khả năng xoay đủ để hình thành khớp dẻo.

+ Loại 2 tiết diện cũng có khả năng phát triển mômen bền dẻo, nhưng với khả năng xoay hạn chế.

Trong thiết kế dầm thép, loại tiết diện 3 hoặc 4 thường gặp hiện tượng cong vênh cục bộ trong vùng chịu nén, dẫn đến ứng suất vượt quá giới hạn đàn hồi tính toán f y / ó a đối với tiết diện loại 3, hoặc nhỏ hơn giá trị này cho tiết diện loại 4 Bài viết chỉ tập trung khảo sát tiết diện loại 1 và 2, là những loại phổ biến trong xây dựng nhà cửa, trong khi một số trường hợp đặc biệt có thể chuyển tiết diện loại 3 sang loại 2.

Bảng 2.1 trình bày các giá trị giới hạn của độ mảnh cho cánh và bản bụng của dầm thép, áp dụng cho các tiết diện loại 1 và 2 khi chịu uốn với mômen âm (M sd < 0) Trong trường hợp này, cánh nén không được giữ ổn định bởi tấm đan bêtông cốt thép Hệ số ε = 235 / f y được sử dụng để điều chỉnh cho các loại thép khác nhau, với f y được tính theo đơn vị N/mm².

Khi tiết diện chịu mômen dương (Msd > 0) sự có mặt của tấm đan sẽ đóng vai trò và được phân loại như sau

Cánh chịu nén của dầm thép liên kết với tấm đan thông qua các liên kết được bố trí hợp lý, với khoảng cách nhỏ hơn 20tε cho tấm đan đặc và 5tε cho tấm đan có sườn vuông góc với dầm, được xem như tiết diện loại 1.

Khi trục trung hòa dẻo nằm trong tấm đan hoặc bản cánh dầm loại 1 được liên kết với tấm đan, tiết diện liên hợp được xem là loại 1 vì bản bụng hoàn toàn chịu kéo Ngược lại, nếu trục trung hòa đi qua bản bụng, tiết diện liên hợp sẽ được coi là loại 2 do tấm đan nén phần trên của tiết diện, hạn chế khả năng xoay của nó.

Chú ý rằng tiết diện liên hợp có thể thay đổi loại khi mômen đổi dấu; ví dụ, trong trường hợp của một dầm liên tục, tiết diện loại 1 trong vùng mômen dương có thể chuyển thành loại khác.

2 hay loại 3 trong vùng mômen âm.

Bảng 2 1 Bản cánh dầm thép chịu nén không được giữ ổn định bởi tấm đan

Thép cán Thép tổ 235 N/mm 2 c ε = hợp hàn f y t t c

Bản bụng không bọc bê tông

Bản bụng chịu uốn và nén

Sự phân bố ứng suất

Eurocode 4 cũng cho phép phân loại lại tiết diện khi cánh dầm thép chịu nén thuộc loại 1 và 2 như sau

+ Bản bụng tiết diện loại 3 được bọc bêtông có thể coi như bản bụng loại 2 của tiết diện tương ứng.

+ Bản bụng loại 3 không được bọc bêtông có thể chuyển thành loại 2 tương đương nếu chấp nhận chiều cao hữu hiệu chịu nén là 2 lần của 20tε.

2.4.1.4 Khả năng chịu uốn của tiết diện

Các tiết diện khảo sát thuộc loại 1 hoặc 2, với khả năng chịu uốn được xác định dựa trên mômen dẻo dương M +pl.Rd và mômen dẻo âm M -pl.Rd.

Khi xác định mômen bền dẻo, cần chấp nhận các giả thiết sau: a) Liên kết giữa tấm đan và dầm thép là hoàn toàn, với tấm bêtông và cốt thép đạt cường độ tối đa; nếu liên kết không hoàn toàn, mômen bền dẻo sẽ giảm và được xem xét riêng b) Ứng suất trong vùng bêtông chịu nén phân bố đều và bằng 0,85 f ck / γ c, với hệ số 0,85 phản ánh sự khác biệt giữa cường độ thí nghiệm và sức bền thực của kết cấu do tải trọng lâu dài, ứng suất tiếp trong tiết diện tính toán, và điều kiện giới hạn không đồng đều của bêtông c) Bỏ qua khả năng chịu kéo của bêtông d) Các cốt thép của tấm đan khi chịu kéo đạt cường độ tính toán f ck / γ s, với hợp hàn d/t ≤ 41,5 e/α.

Thép tổ hợp hàn có các tiêu chí c/t ≤ 14, e c/t ≤ 14, e c/t ≤ 21, và e c/t ≤ 20 Khi tấm đan chịu nén, vai trò của cốt thép được bỏ qua Trong tấm đan liên hợp chịu nén, không tính đến khả năng chịu lực của tấm tôn.

Các giả thiết b, c, d, e dẫn đến dạng phân phối ứng suất hình chữ nhật trên tiết diện ngang.

2.4.1.5 Trường hợp tiết diện chịu mômen dương

Kết luận chương 2

Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về vật liệu liên kợp bê tông và thép, cùng với các ứng dụng thực tiễn và nghiên cứu liên quan Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép sở hữu những tính năng vượt trội và ngày càng trở nên cần thiết trong xây dựng.

Trên cơ sở đó, luận văn cũng chú trọng và mô hình hóa xét dạng phá hoại,khả năng chịu cắt và độ mềm của liên kết dạng đóng.

MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

Giới thiệu

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), hay còn gọi là phân tích phần tử hữu hạn (FEA), là một kỹ thuật số quan trọng dùng để tìm kiếm các giải pháp gần đúng cho phương trình vi phân từng phần (PDE) và các phương trình nguyên Phương pháp này dựa trên việc loại bỏ hoàn toàn các phương trình vi phân trong các vấn đề trạng thái ổn định, hoặc chuyển đổi các PDE thành một hệ thống xấp xỉ của các phương trình vi phân thông thường Sau đó, các phương trình này được giải quyết bằng các kỹ thuật tích hợp tiêu chuẩn như phương pháp Euler và Runge-Kutta.

Phương pháp Phân tích Phần tử Hữu hạn (FEM) cho phép hình dung chi tiết cấu trúc ở các khu vực uốn cong hoặc vặn xoắn, đồng thời hiển thị sự phân bố ứng suất và chuyển vị FEM cung cấp nhiều tùy chọn mô phỏng giúp kiểm soát độ phức tạp trong mô hình hóa và phân tích hệ thống Ngoài ra, độ chính xác mong muốn có thể được điều chỉnh song song với yêu cầu về thời gian tính toán, nhằm đáp ứng các ứng dụng kỹ thuật cao Nhờ đó, toàn bộ thiết kế có thể được xây dựng, tinh chỉnh và tối ưu hóa trước khi tiến hành sản xuất.

Công cụ thiết kế mạnh mẽ đã cải thiện đáng kể tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật và phương pháp luận trong nhiều ứng dụng công nghiệp Sự giới thiệu của FEM đã rút ngắn thời gian từ ý tưởng đến dây chuyền sản xuất, nhờ vào việc cải thiện các thiết kế nguyên mẫu ban đầu Điều này đã giúp tăng tốc quá trình thử nghiệm và phát triển sản phẩm Lợi ích của FEM bao gồm tăng độ chính xác, nâng cao hiểu biết về các thông số thiết kế quan trọng, tạo mẫu ảo, giảm thiểu phần cứng cần thiết cho nguyên mẫu, rút ngắn chu kỳ thiết kế và giảm chi phí, cũng như tăng năng suất và doanh thu.

Tác giả sử dụng phương pháp PTHH để khắc phục hạn chế về mặt bằng thí nghiệm và tăng cường số lượng trường hợp phân tích chưa thực hiện Phần mềm Ansys được áp dụng để phân tích các vấn đề liên quan.

 Khảo sát khả năng chịu lực của liên kết, sự trượt giữa thép hình và bản bê tông cốt thép.

 Khảo sát sự phân bố ứng suất trong liên kết kháng cắt dạng perfobond.

Ví dụ số

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm Ansys để nghiên cứu ứng xử của liên kết kháng cắt dạng perfobond Cụ thể, tác giả tiến hành mô phỏng lại mẫu thí nghiệm Push-out nhằm so sánh với mẫu N1 đã được thực nghiệm trong phòng thí nghiệm bởi Thạc sĩ Đinh Thái Hòa vào năm 2016 tại Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh.

3.2.1 Mô hình mẫu tính toán mô phỏng

Mẫu mô hình tính toán mô phỏng được phát triển dựa trên hướng dẫn của EC4, bao gồm ba thành phần chính: hai bản bê tông cốt thép đối xứng ở hai bên và một dầm thép hình chữ.

Liên kết perfobond được hàn liên tục dọc theo dầm thép H và chôn vào trong bản bê tông, với hình 3.1 minh họa chi tiết các thành phần cấu tạo của mẫu.

Hình 3 1 Mô hình mẫu thí nghiệm Push - out [7].

Bê tông M350, với cường độ chịu nén 35 MPa, được sử dụng trong các mẫu tính toán mô phỏng thí nghiệm Push-out Để xác định thông số cơ học của vật liệu, một tổ mẫu gồm 3 mẫu lập phương có kích thước 150mm x 150mm x 150mm được lấy ra để tiến hành thử nghiệm.

150mm sau đó đem đi thí nghiệm theo TCVN 3118 – 1993 Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông được thể hiện chi tiết ở bảng 3.1 như sau

Bảng 3 5 Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông

3.2.2.2 Thép tấm và thép tròn

Cốt thộp sử dụng bao gồm thộp ỉ12 và thộp tấm CT3 Mỗi loại thép sẽ được lấy 3 mẫu và tiến hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM A370 – 14 Kết quả thí nghiệm các loại thép được trình bày chi tiết trong bảng 3.2.

Bảng 3 6 Kết quả thí nghiệm cường độ thép Đồ thị thể hiện quan hệ ứng suất và biến dạng của cốt thép được thể hiện ở hình 3.2.

Hình 3 2 Đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng khi kéo cốt thép [7].

3.2.3 Chương trình mô phỏng kiểm chứng

Tác giả lựa chọn mẫu N1 của nghiên cứu trước để tính toán mô phỏng và kiểm chứng tính đúng đắn của phần mềm Ansys như hình 3.3, 3.4 và 3.5

Hình 3 3 Chi tiết liên kết perfobond [7].

Hình 3 4 Liên kết perfobond và thép hình I [7].

Hình 3 5 Mô hình trong phần mềm Ansys.

Trong mô hình và thí nghiệm, hai lỗ trống được tạo ra ở phần bê tông dưới cùng của dầm thép nhằm giúp dầm thép di chuyển dễ dàng và đồng đều hơn Điều này không chỉ tạo thuận lợi cho quá trình thí nghiệm và mô phỏng mà còn giúp đạt được kết quả chính xác hơn.

Bốn sườn cứng được thiết kế ở chân đế nhằm cố định hệ theo phương ngang, giúp ngăn chặn sự di chuyển trong quá trình gia tải.

Trong quá trình mô phỏng, việc chia lưới đồng đều là rất quan trọng Cần phải đảm bảo rằng lưới có thể thưa ở những khu vực không quan trọng, trong khi những vị trí phức tạp cần phân tích phải được chia nhỏ để đạt được độ chính xác cao nhất.

Mô hình này có độ phức tạp cao, do đó việc chia lưới mịn không phải lúc nào cũng cần thiết, vì nó có thể tiêu tốn tài nguyên tính toán và kéo dài thời gian xử lý Hình 3.6 minh họa cách chia lưới cho mô hình trong phần mềm Ansys.

Trong mô hình nghiên cứu, cốt thép và liên kết perfobond sẽ tiếp xúc với bê tông theo dạng ma sát, nhằm thể hiện chính xác quá trình làm việc của mẫu khi chịu lực Bên cạnh đó, dầm thép được thiết kế với một lỗ kích thước 20mm x 20mm ở đáy, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiến hành thí nghiệm và thu thập tín hiệu.

3.2.3.3 Điều kiện tiếp xúc Để kết quả mô phỏng gần giống thực tế, sự tiếp xúc giữa các thành phần trong mô hình là yếu tố quan trọng Ở đây, bản bê tông và chân đế sẽ được coi như là tiếp xúc dính chặt nhau (bonded) do trong thí nghiệm thực tế hai phần này không thể tách rời nhau (hình 3.7).

Hình 3 7 Tiếp xúc dính chặt giữa bản bê tông và chân đế.

Cốt thép và liên kết perfobond với bản bê tông được coi là liên kết ma sát Khi chịu tải, hai thành phần này sẽ di chuyển xuống dưới, có khả năng tách rời khỏi bản bê tông và dẫn đến nứt trong cấu trúc bê tông.

Hình 3 8 Tiếp xúc ma sát giữa cốt thép, liên kết perfobond với bản bê tông.

3.2.3.3 Điều kiện biên và tải trọng

Dựa trên thí nghiệm thực tế, đáy bản đế được ngàm chặt theo mọi phương hướng Sau đó, một chuyển vị cưỡng bức trị giá 6mm được đặt trực tiếp lên thép hình chữ I và hướng xuống.

Hình 3 10 Áp đặt chuyển vị cưỡng bức lên thép hình I.

3.2.3.4 Kết quả và so sánh

Hình 3.11 biểu diễn kết quả nghiên cứu thực nghiệm của tác giả Đinh Thái Hòa đối với mẫu N1 có 2 thanh thép trong một lỗ liên kết.

Hình 3 11 Quan hệ giữa lực và độ trượt tương đối giữa bản bê tông và thép chữ I trong nghiên cứu của tác giả Đinh Thái Hòa.

Hình 3.12 và 3.13 mô tả chuyển vị của mẫu dưới tác động của chuyển vị cưỡng bức hướng xuống, được tính toán bằng phần mềm Ansys Kết quả cho thấy giá trị chuyển vị của mẫu đạt 6mm, gần sát với kết quả thực nghiệm Thêm vào đó, thép hình I có xu hướng đi xuống và kéo theo cốt thép theo phương ngang.

Theo bảng 3.3, giá trị lực Pmax cho thấy sự khác biệt giữa mô hình thực nghiệm và mô phỏng khi xuất hiện vết nứt, với sai số khoảng 0.33% và 2.41% đối với giá trị chuyển vị.

Hình 3 12 Chuyển vị của mẫu

Hình 3 13 Chuyển vị của cốt thép trong mẫu

Bảng 3 7 Kết quả so sánh thực nghiệm và mô phỏng mẫu N1

P max δ u Đơn vị kN mm

Các trường hợp khác

Do giới hạn về ngân sách và thời gian thực hiện thí nghiệm, việc khảo sát toàn bộ các trường hợp để đạt được thiết kế tối ưu về khả năng chịu lực và hiệu quả kinh tế là điều không khả thi.

Quá trình kiểm chứng độ tin cậy của phần mềm Ansys cho phép chúng ta áp dụng tính toán mô phỏng để đánh giá hiệu quả của các thiết kế khác Trong phần này, tác giả sẽ khảo sát một trường hợp chưa được thực hiện trong nghiên cứu của Đinh Thái Hòa, nhằm cung cấp cái nhìn tổng quan hơn Cụ thể, tác giả sẽ tiến hành khảo sát liên kết perfobond với chỉ một cây thép trong một lỗ liên kết, trong khi lỗ còn lại không có thép.

3.3.1 Mô hình tính toán mô phỏng

Về cơ bản kích thước và mô hình vẫn giống như trên, chỉ khác ở chỗ số lượng thanh thép bây giờ giảm đi như trong hình 3.20 và hình 3.21.

Hình 3 21 Số lượng thanh thép trong một lỗ liên kết

Mẫu thiết kế bao gồm ba phần chính: thép hình, bản bê tông và liên kết kháng cắt Trong đó, quá trình hoạt động của liên kết kháng cắt sẽ được phân tích một cách chi tiết.

Vật liệu cấu thành các thành phần trong kết cấu đóng vai trò quyết định đối với độ chính xác của kết quả mô phỏng Do đó, việc tổng hợp đầy đủ các thông số vật liệu cần thiết là bước đầu tiên quan trọng Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về mô hình vật liệu của từng thành phần.

3.3.2.1 Thép hình, thép liên kết và cốt thép

Thép là vật liệu có tính dẻo và giòn, trong đó hàm lượng carbon đóng vai trò quan trọng nhất, ảnh hưởng đến cấu trúc, tính chất và ứng dụng của thép.

Hình 3 22 Ảnh hưởng của hàm lượng Cacbon đến cơ tính của thép [4].

Theo hình 3.22 thì khi tăng %C sẽ làm giảm độ dẻo và độ dai va đập Khi

%C tăng trong khoảng 0,8 - 1% thì độ bền và độ cứng cao nhất nhưng khi vượt qua 1% thì độ bền và độ cứng bắt đầu giảm.

Theo %C có thể chia thép làm 4 nhóm có cơ tính và công dụng khác nhau

• Thép cacbon thấp (%C ≤ 0,25%) dẻo, dai nhưng có độ bền và độ cứng thấp.

• Thép cacbon trung bình (%C từ 0,3 - 0,5%) chi tiết máy chịu tải trọng tĩnh và va đập cao.

• Thép cacbon tương đối cao (%C từ 0,55 - 0,65%) có tính đàn hồi cao, dùng làm lò xo.

• Thép cacbon cao (%C ≥ 0,7%) có độ cứng cao nên được dùng làm dụng cụ đo, dao cắt, khuôn dập.

Thép có tính chất dẻo, dẫn đến sự xuất hiện của điểm chảy dẻo, nơi mà biến dạng của thép trở nên lớn và không theo quy luật nhất định Khi đạt đến trạng thái tới hạn, thép sẽ bị phá hủy Hình 3.23 minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu thép.

Hình 3 23 Quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép [4]

Thép sẽ thể hiện tính đàn hồi tuyến tính theo một đường thẳng trong giai đoạn đầu, với góc giữa đường thẳng và trục hoành chính phản ánh module đàn hồi của thép Khi vượt qua điểm chảy dẻo, thép chuyển sang ứng xử phi tuyến.

Trong Ansys, phần tử SOLID185 được sử dụng để mô hình hóa vật liệu thép, với việc đưa vào chương trình tính toán các quan hệ ứng suất – biến dạng và các tính chất vật liệu cơ bản của thép.

Hình 3 24 Phần tử SOLID185 trong Ansys [9]

Các cấu kiện bê tông cốt thép (BTCT) trong xây dựng hoạt động dưới nhiều hình thức khác nhau, và việc hiểu rõ ứng xử của chúng trong quá trình chịu tải là rất quan trọng để thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả Nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng, nhưng thí nghiệm thường tốn thời gian và chi phí Gần đây, phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trở nên phổ biến nhờ sự phát triển công nghệ máy tính, với ANSYS là một lựa chọn tốt cho phân tích ứng xử kết cấu Tuy nhiên, ứng xử không đàn hồi của BTCT khá phức tạp do tính phi tuyến của bê tông và tính đàn hồi-dẻo của cốt thép, đặc biệt ở giai đoạn sau nứt Luận văn này tập trung vào việc sử dụng ANSYS để mô phỏng ứng xử phi tuyến của các dầm và cột BTCT, với phần tử SOLID65 được sử dụng để mô phỏng vật liệu bê tông, đồng thời khảo sát sự hình thành và phát triển nứt trong bê tông cùng với mối quan hệ (P-∆) giữa tải trọng và chuyển vị.

Hình 3 25 Phần tử SOLID65 trong Ansys [9]

 Ứng xử kéo và nén một trục của bê tông

Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông dưới tác dụng của tải trọng kéo và nén cần được xác định theo hình 3.26 và hình 3.27 Trong đó, E0 đại diện cho mô đun đàn hồi của bê tông trước khi xảy ra hiện tượng phá hoại Các mối quan hệ này được thiết lập dựa trên các đặc điểm cơ học của vật liệu.

Trong đó dt và dc Hai biến số phá hoại khi kéo và nén ε t~pl và ε c~pl Hai biến dạng dẻo đường đương khi kéo và nén

Hình 3 26 Ứng xử của bê tông dưới tác dụng tải trọng khi nén [9]

Quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén (hình 3.26) có thể chia thành ba giai đoạn

Trong quá trình kéo, mối quan hệ ứng suất – biến dạng được chia thành hai giai đoạn: (1) giai đoạn đàn hồi tuyến tính với ứng suất σ c < σ c0 và (2) giai đoạn phá hoại kéo với điều kiện σ c0 < σ c < σ cu Để xác định các vùng phá hoại, hai biến số phá hoại khi nén (dc) và khi kéo (dt) được tính toán theo công thức cụ thể.

Trong đó b c và b t là các thông số phá hoại

Hình 3 27 Ứng xử của bê tông dưới tác dụng tải trọng khi kéo [9]

 Phá hoại dẻo của bê tông

Tiêu chuẩn phá hoại dẻo được đề xuất bởi Lubliner et al (1989) và được cải tiến bởi Lee & Fenves (1998) nhằm đánh giá khả năng bị phá hoại dưới các điều kiện ứng suất khác nhau, như thể hiện trong hình 3.28.

Hình 3 28 Mặt chảy dẻo trong ứng suất phẳng [9]

3.3.3 Mô phỏng phần tử hữu hạn cho mẫu Push – out

Trong phần này, chúng ta sẽ khảo sát khả năng chịu lực của mẫu chỉ có một thanh thép trong một lỗ, trong khi lỗ còn lại không có cốt thép.

3.3.3.1 Thông số đầu vào và chia lưới mô hình

Bảng 3 8 Thông số vật liệu

Việc chia lưới trong tính toán PTHH đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng hội tụ và kết quả cuối cùng Đối với mô hình đơn giản, nên sử dụng lưới mịn với các phần tử hình vuông, trong khi mô hình phức tạp yêu cầu chia lưới ở mức độ vừa phải Mô hình hiện tại có 31,868 nút và 10,271 phần tử.

- Cường độ chịu nén B c = 17.0 MPa

- Cường độ chịu kéo Bt = 1.2 MPa

- Giới hạn chảy dẻo f y = 230 MPa

- Độ bền kéo đứt fu = 340 MPa

- Giới hạn chảy dẻo fy = 230 MPa

- Độ bền kéo đứt f u = 340 MPa