TỔNG QUAN
Tổng Quan
1.1.1 Phương pháp mô phỏng tính toán.
Hiện nay, các cấu kiện trong xây dựng hoạt động với nhiều hình thức khác nhau, đòi hỏi việc hiểu rõ ứng xử của chúng để tính toán rủi ro và thiết kế kết cấu an toàn Các phương pháp nghiên cứu ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép bao gồm thí nghiệm và mô phỏng, trong đó thí nghiệm tuy chính xác nhưng tốn thời gian và chi phí Với sự phát triển của công nghệ, phần tử hữu hạn (PTHH) và phần mềm Abaqus đã trở thành lựa chọn phổ biến để mô phỏng ứng xử của cấu kiện bê tông cốt thép Tuy nhiên, ứng xử vật liệu trong miền dẻo của bê tông cốt thép rất phức tạp, đòi hỏi phải kết hợp giữa mô phỏng và kết quả thí nghiệm để kiểm chứng và hiệu chỉnh Nghiên cứu này thực hiện mô phỏng bằng Abaqus và thí nghiệm đối chứng cho cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm nhằm đưa ra các phân tích và bình luận chính xác.
Nhiều nghiên cứu đã phát triển mô hình hóa cấu kiện bê tông, cho phép sử dụng các thông số tính toán từ phần mềm để hiểu rõ hơn về ứng xử của cấu kiện bê tông dưới tác động của lực Dưới đây là một số nghiên cứu liên quan.
Nghiên cứu của Ths Lê Đăng Dũng tại Bộ môn Kết cấu Xây dựng, Viện Kỹ thuật Xây dựng, tập trung vào ứng xử của nút khung bê tông cốt thép bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tác giả đã sử dụng phần mềm Abaqus (SIMULA 2008) để mô phỏng và tính toán nút khung, đồng thời khảo sát sự làm việc và hiện tượng phá hủy của nút khung khi thay đổi độ lệch tâm giữa dầm và cột.
Nghiên cứu của tác giả Nguyễn Trần Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải và Hồ Hữu Chỉnh về "Mô hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng ứng xử không đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép" đã sử dụng chương trình ANSYS để mô phỏng tính toán phần tử hữu hạn Dựa trên mô hình này, các tác giả đã phân tích ứng xử phi tuyến của các cấu kiện dầm cột bê tông cốt thép, trong đó phần tử SOLID được sử dụng để mô phỏng vật liệu bê tông, còn LINK được dùng để mô phỏng vật liệu cốt thép.
Nghiên cứu của Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp và Lê Đăng Dũng về "Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép tăng cường bằng bê tông lưới cốt dệt" đã sử dụng phương pháp tính toán phần tử hữu hạn qua phần mềm Abaqus Nghiên cứu này mô phỏng sự làm việc chịu uốn của kết cấu, xem xét đặc điểm phi tuyến của vật liệu và hình học Mô hình ứng xử bám dính giữa bê tông và lưới dệt được áp dụng để mô tả chính xác cơ chế hoạt động và phá hoại của dầm được gia cường.
+ Nghiên cứu “ A Material Model for Flexuaral Crack Simulation in
Reinforced Concrete Elements Using Abaqus” của tác giả Wahalathantri.B.L ,
Trong nghiên cứu của Thambiratnam.D.P, Chan.T.H.T và FAWZIA.S, các tác giả đã phát triển các mô hình ứng xử vật liệu bê tông cốt thép cho phần mềm Abaqus Mô hình này bao gồm mối quan hệ ứng suất-biến dạng trong miền nén và sự phá hoại trong miền kéo Ngoài ra, tác giả cũng đã mô phỏng ứng xử của dầm chịu uốn Kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác cao của các mô hình mô tả ứng xử vật liệu bê tông cốt thép.
+ Nghiên cứu “ Nolinear Analysis of Reinforced Con concrete
Nghiên cứu "Beam Bending Failure Experimentation Based on Abaqus" của các tác giả Deng Sihua, Qie Ze, và Wang Li áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus để phân tích dầm chịu uốn Các tác giả đã lựa chọn mô hình phá hoại dẻo nhằm mô phỏng và tính toán ứng xử cũng như sự phá hoại của dầm trong quá trình uốn.
+ Nghiên cứu “Modeling of Concrete for Nonlinear Analysis Using
Finite Element Code Abaqus” của các tác giả S.V Chaudhari và
M.A.Chakrabaeti Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích tính toán tính chất vật liệu bê tông có xét đến tính phi tuyến Tác giả sử dụng phương pháo phần tử hữu hạn thông qua phần mền Abaqus Trong mô hình tính toán, tác giả đã sử dụng mô hình 3D và mô hình phá hoại dẻo và mô hình vết nứt rời rạc qua đó so sánh sự chính xác của hai mô hình khi mô phỏng tính toán cấu kiện dầm chịu uốn.
Nghiên cứu ứng xử của cấu kiện dầm ngày càng phát triển nhờ vào phương pháp mô phỏng, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian nghiên cứu, dễ dàng áp dụng cho nhiều loại cấu kiện khác nhau, cho phép thay đổi thông số mô hình một cách nhanh chóng và có thể khảo sát các cấu kiện có kích thước không thể thực nghiệm.
1.1.2 Bê tông xỉ cốt thép.
Nghiên cứu này tập trung vào vật liệu bê tông xỉ cốt thép, được coi là vật liệu xanh giúp giảm ô nhiễm môi trường nhờ việc sử dụng xỉ thép từ ngành chế tạo kim loại nặng Xỉ thép, một loại phế thải từ ngành luyện thép, có tiềm năng thay thế một phần cốt liệu lớn trong bê tông cốt thép Nhiều nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng xỉ thép có tính chất tương tự như đá tự nhiên Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, nghiên cứu của Nguyễn Thị Thúy Hằng (2015) đã xác định hệ số modul đàn hồi, hệ số Poisson và tính chất cường độ của bê tông xỉ tốt hơn so với bê tông đá tự nhiên Nghiên cứu cũng áp dụng phương pháp mô phỏng để phân tích tính chất của vật liệu xỉ trong dầm chịu uốn ba điểm.
Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu
1.2.1 Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về tính chất của xỉ thép và bê tông xỉ cốt thép, tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào tập trung vào ứng xử vật liệu của bê tông xỉ cốt thép trong các cấu kiện Nghiên cứu này nhằm sử dụng các tính chất đã được xác định từ những nghiên cứu trước để mô phỏng và tính toán ứng xử của cấu kiện trong thí nghiệm uốn ba điểm, từ đó so sánh với kết quả thực nghiệm Mục tiêu là áp dụng mô phỏng để mô tả các cấu kiện mà không thể thực hiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
1.2.2 Mục đích nghiên cứu đề tài.
Nghiên cứu này tập trung vào hai vấn đề chính liên quan đến việc mô phỏng tính toán dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm.
Các nhân tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng bao gồm chất lượng dữ liệu đầu vào, thuật toán sử dụng và điều kiện biên Để đạt được kết quả chính xác nhất, cần chú ý đến việc lựa chọn các thông số mô phỏng phù hợp, như độ phân giải, thời gian mô phỏng và các biến điều khiển Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của mô phỏng.
Đề xuất giả thuyết mô hình ứng xử của vật liệu bê tông xỉ trong mô phỏng dầm bê tông xỉ cốt thép được thực hiện thông qua thí nghiệm chịu uốn ba điểm Mô hình vật liệu áp dụng cho bê tông đá thường, đồng thời cung cấp hệ số sai lệch để cải thiện độ chính xác trong phân tích.
1.2.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài. Đối tượng chính trong nghiên cứu này là loại vật liệu bê tông xỉ cốt thép, trong đó có sử dụng bê tông đá tự nhiên để đưa ra kết quả kiểm chứng.
Phạm vi nghiên cứu đề tài, dầm bê tông xỉ cốt thép chịu uốn ba điểm.
Phương pháp nghiên cứu chính trong đề tài này là sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn, kết hợp với việc so sánh kết quả thu được từ các thí nghiệm thực tế.
1.2.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Hoàn thiện thêm cách nghiên cứu mô phỏng cho loại vật liệu mới bê tông xỉ cốt thép.
Tăng cường ứng dụng xỉ thép trong dầm bê tông xỉ cốt thép so với bê tông đá tự nhiên là một xu hướng quan trọng Bài viết sẽ trình bày cách mô phỏng dầm bê tông xỉ và các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả mô phỏng Đồng thời, đề xuất mô hình số ứng xử vật liệu cho bê tông xỉ cốt thép nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và chất lượng công trình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Công nghệ mô phỏng dầm
2.1.1 Khái niệm về mô phỏng.
Mô hình hóa là quá trình thay thế một đối tượng gốc bằng một mô hình để thu thập thông tin quan trọng thông qua các thực nghiệm Lý thuyết xây dựng và nghiên cứu mô hình nhằm hiểu biết về đối tượng gốc được gọi là lý thuyết mô hình hóa Khi các quá trình trong mô hình đồng nhất với các quá trình trong đối tượng gốc theo các chỉ tiêu đã định, mô hình được coi là đồng nhất với đối tượng, cho phép thực hiện các thí nghiệm trên mô hình để thu thập thông tin cần thiết về đối tượng.
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc xây dựng mô hình số và sử dụng phương pháp số để tìm giải pháp Máy tính số là công cụ duy nhất hiệu quả để thực hiện mô phỏng hệ thống Mặc dù chỉ có thể xây dựng mô hình gần đúng do phải chấp nhận một số giả thiết để giảm độ phức tạp, mô hình hóa vẫn là phương pháp hữu hiệu để nghiên cứu và nhận biết các quy luật tự nhiên Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học máy tính và công nghệ thông tin, các phương pháp mô hình hóa ngày càng cho phép xây dựng mô hình gần gũi với đối tượng nghiên cứu, đồng thời việc xử lý thông tin trở nên nhanh chóng và chính xác Do đó, mô hình hóa là một phương pháp nghiên cứu khoa học quan trọng mà các nhà khoa học và kỹ sư cần ứng dụng trong thực tiễn.
2.1.2 Ưu và nhược điểm mô phỏng.
Phương pháp mô phỏng có nhiều ưu điểm so với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, bao gồm chi phí nghiên cứu thấp hơn, thời gian dự đoán kết quả nhanh hơn và khả năng giảm rủi ro trong quá trình thí nghiệm Ngoài ra, phương pháp này còn cho phép dự đoán các cấu kiện lớn mà không thể nghiên cứu trong thí nghiệm do hạn chế về điều kiện.
Mặc dù phương pháp mô phỏng mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng tồn tại một số khuyết điểm cần lưu ý Đầu tiên, phương pháp này có thể dẫn đến sai số so với kết quả thực nghiệm, do yêu cầu hiểu rõ nhiều thông số điều chỉnh Nếu không nắm vững các thông số này, kết quả có thể bị lệch đáng kể Tuy nhiên, phương pháp mô phỏng vẫn cho ra kết quả tương đối chính xác trong nhiều trường hợp.
2.1.3 Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện chịu uốn phổ biến trong xây dựng, với nhiều phương pháp dự đoán ứng xử Phân tích tĩnh thường được áp dụng cho dầm có tính đồng nhất và hình dạng đơn giản, nhưng chỉ khi chưa xuất hiện vết nứt Để xác định ứng xử hoàn toàn của vật liệu, cần xem xét sự không đồng nhất mặt cắt ngang, ảnh hưởng của cốt thép chịu lực, cũng như trạng thái dẻo khi có vết nứt và sự trượt giữa bê tông và cốt thép Do đó, trong những trường hợp này, phương pháp số là sự lựa chọn thích hợp hơn.
Phương pháp số không chỉ dự đoán được ứng xử của dầm bê tông cốt thép trong giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo, mà còn xử lý các trạng thái phức tạp của dầm Sự phát triển của máy tính và phần mềm tính toán mô phỏng dựa trên phương pháp số đã trở nên phổ biến trong ngành xây dựng Đặc biệt, phương pháp phần tử hữu hạn cùng với phần mềm máy tính đã giúp giải quyết nhiều bài toán phức tạp, bao gồm việc tính toán mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn phụ thuộc và một số yếu tố sau:
1 Quy mô của kết cấu (một cấu kiện hay toàn bộ kết cấu).
2 Sự phức tạp của cấu kiện mô phỏng (1D, 2D, 3D).
3 Kết quả cần đạt được (cho toàn bộ, cục bộ cấu kiện).
5 Sự hạn chế của mô hình (vật liệu phân tích đàn hồi, trạng thái dẻo, sự trượt các vật liệu )
Khi thực hiện mô phỏng cho cấu kiện, việc cân bằng giữa độ chính xác của kết quả mô hình và khả năng của phương tiện mô phỏng là rất quan trọng Để đạt được độ chính xác gần với giá trị thực tế, cần sử dụng máy tính mạnh mẽ, điều này đồng nghĩa với việc thời gian tính toán cho bài toán sẽ kéo dài.
Vấn đề vết nứt trong dầm bê tông cốt thép liên quan đến sự phá hoại cục bộ của cấu kiện Hiện tượng trượt giữa bê tông và cốt thép chịu lực cũng góp phần vào tình trạng này, tạo ra nguồn gốc chính cho sự phát triển phi tuyết của vật liệu Trong giai đoạn này, hành vi của vật liệu hoàn toàn khác biệt so với giai đoạn đàn hồi, đòi hỏi việc phát triển mô hình riêng trong phương pháp mô phỏng dựa trên phần tử hữu hạn.
2.1.4 Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).
Cấu kiệm dầm bê tông cốt thép thường không áp dụng mô phỏng đối tượng vật rắn 3D do yêu cầu tính toán phức tạp hơn so với đối tượng cấu trúc 1D hoặc 2D Tuy nhiên, việc sử dụng mô hình 3D mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc xác định dạng phá hủy của dầm, như nứt và trượt neo cốt thép gần gối, điều mà các mô hình khác không thể đạt được.
Mô phỏng cốt thép chịu lực khi chọn đối tượng dầm theo mô hình ba chiều cũng có nhiều cách mô phỏng khác nhau như là:
Mô phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng 3D, trong đó mỗi thanh cốt thép được xem như một đối tượng riêng biệt Trong quá trình phân tích, các thanh cốt thép được coi là một lớp giữa bê tông hoặc được nhúng vào trong bê tông Để đảm bảo tính chính xác, cần khai báo sự bám dính bề mặt giữa hai loại vật liệu bê tông và thép bằng mô hình bám dính.
Mô phỏng cốt thép chịu lực có thể thực hiện qua việc sử dụng tấm 2D với chiều dày quy đổi cho lớp cốt thép hoặc mô phỏng cốt thép dạng thanh theo một phương Trong quá trình phân tích và tính toán, cần định nghĩa các tính chất của đối tượng này dựa trên mặt cắt ngang của dầm.
Cả hai phương pháp mô phỏng thanh cốt thép chịu lực cho dầm bê tông cốt thép đều được áp dụng rộng rãi, trong đó phần mềm Abaqus là một trong những công cụ phổ biến nhất.
Hình 2.1– Mô phỏng dầm bê tông cốt thép
2.1.5 Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D).
Mô hình mô phỏng dầm theo ba phương tương tự như mô hình theo hai phương, nhưng không áp dụng cho ứng xử toàn cục của dầm Dù vậy, phương pháp mô phỏng hai chiều thường được sử dụng để xác định các đặc điểm của vết nứt, bao gồm bề rộng và hình dạng của chúng.
Cấu kiện dầm có kích thước lớn hơn bề rộng và chiều cao, do đó, ứng suất phẳng thường được áp dụng để phân tích dầm thông qua phương pháp mô phỏng 2D Cốt thép chịu lực trong dầm có thể được mô phỏng dưới dạng đối tượng 2D hoặc thanh 1D.
Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là một kỹ thuật số hiệu quả dùng để giải quyết các bài toán liên quan đến các phương trình vi phân riêng phần, kết hợp với những điều kiện cụ thể.
Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán bằng cách chia chúng thành nhiều miền con (phần tử) liên kết tại các điểm nút Trên từng miền con, bài toán được giải xấp xỉ thông qua các hàm xấp xỉ, đảm bảo thỏa mãn các điều kiện biên cũng như sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là một kỹ thuật toán học được sử dụng để giải gần đúng các bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương trình tích phân, chẳng hạn như trong trường hợp phương trình truyền nhiệt Lời giải gần đúng này được xây dựng thông qua việc loại bỏ hoàn toàn các phương trình vi phân trong các vấn đề trạng thái ổn định hoặc chuyển đổi PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương, sau đó áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải quyết.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) không tìm kiếm dạng xấp xỉ của hàm trên toàn bộ miền xác định V, mà chỉ trong các miền con Ve, gọi là phần tử Miền V được chia thành một số hữu hạn các phần tử, kết nối với nhau tại các điểm định trước trên biên, được gọi là nút Các hàm xấp xỉ được biểu diễn qua giá trị của hàm hoặc giá trị đạo hàm tại các điểm nút trên phần tử Những giá trị này được gọi là bậc tự do của phần tử và được xem là ẩn số cần tìm trong bài toán.
Trong giải phương trình vi phân thường, thách thức chính là tạo ra một phương trình xấp xỉ ổn định số học, giúp hạn chế lỗi trong dữ liệu và tính toán trung gian Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện điều này, mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng PPPTHH (Phương pháp Phần tử Hữu hạn) là một lựa chọn hiệu quả cho việc giải phương trình vi phân từng phần trên các miền phức tạp, như trong mô hình hóa xe cộ và ống dẫn dầu, hoặc khi yêu cầu về độ chính xác không đồng nhất Chẳng hạn, trong mô phỏng thời tiết trên Trái Đất, việc dự báo chính xác thời tiết trên đất liền được ưu tiên hơn so với vùng biển, điều này có thể đạt được nhờ vào phương pháp phần tử hữu hạn.
Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF, ABAQUS,
Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tông cốt thép
Trong phân tích phi tuyến kết cấu bê tông cốt thép, có ba loại phi tuyến chính: phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học và phi tuyến điều kiện biên Phi tuyến vật liệu không chỉ bao gồm miền đàn hồi mà còn xem xét trạng thái làm việc dẻo trong phân tích tính chất cơ học của bê tông và cốt thép Trong phần mềm ABAQUS, tính chất vật liệu được định nghĩa qua mô hình hai giai đoạn: giai đoạn đàn hồi và giai đoạn dẻo Trong giai đoạn đàn hồi, tính chất vật liệu được xác định bằng modul đàn hồi và hệ số Poisson Giai đoạn dẻo mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng với nhiều mô hình khác nhau như mô hình phá hoại dẻo, mô hình vết nứt rời rạc và mô hình vết nứt giòn Mô hình dẻo của bê tông có ưu điểm là có thể áp dụng cho nhiều loại tải khác nhau, bao gồm tải tập trung, tải động và tải theo chu kỳ.
Mô hình vết nứt giòn được áp dụng cho vật liệu có tính chất cơ học thay đổi khi xuất hiện vết nứt do kéo, với giả định ứng xử của vật liệu dưới tác dụng chịu nén là đàn hồi tuyến tính Mô hình này lựa chọn cách xuất hiện vết nứt rời rạc để đại diện cho ứng xử giòn không liên tục, cho phép vết nứt xuất hiện ở nhiều vị trí khác nhau trong vật liệu Do đó, mô hình này rất phù hợp cho các loại vật liệu giòn như đất sét và đá.
Mô hình vết nứt rời rạc là công cụ hữu ích trong việc tính toán phi tuyến dưới tác động của tải trọng tĩnh, chủ yếu áp dụng cho kết cấu bê tông và cốt thép Mô hình này giúp xác định phản ứng của kết cấu khi chịu các tác động khác nhau Trong mô hình, sự phá hoại bê tông thường thể hiện qua việc xuất hiện vết nứt ở vùng chịu kéo hoặc sự vỡ ở vùng chịu nén.
Mô hình xây dựng bao gồm các ứng xử quan trọng như vết nứt và biến dạng dẻo Vết nứt được ghi lại cả vị trí và hướng để phục vụ cho các tính toán tiếp theo Điều này có nghĩa là tiết diện có vết nứt sẽ được tính toán với độ cứng và cường độ tương ứng với tiết diện thu hẹp do vết nứt gây ra.
Mô hình phá hoại dẻo kết hợp tính đàn hồi và kéo đẳng hướng, cùng với ứng xử dẻo khi nén, nhằm thể hiện tính phi tuyết của vật liệu bê tông, trái ngược với vết nứt giòn Người dùng có thể khai báo giai đoạn cứng hóa và mềm hóa khi chịu nén, phản ánh ứng xử phi tuyến của bê tông trong thực tế Do đó, mô hình phá hoại dẻo thường được áp dụng trong mô phỏng tính toán cấu kiện bê tông cốt thép.
Mô hình phá hoại dẻo có những ưu nhược riêng:
Mô hình này có nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau và thích ứng với nhiều loại tải trọng, từ tải trọng tĩnh, tải trọng động đến tải trọng theo chu kỳ.
Mô hình mô phỏng ứng xử của vật liệu bê tông cốt thép gặp nhược điểm do phụ thuộc vào ứng xử của bê tông và cốt thép cùng với các hệ số mô hình phá hoại dẻo Nếu không kiểm soát chính xác các thông số đầu vào, kết quả mô phỏng tính toán có thể bị sai lệch.
Mô hình vật liệu bê tông trong mô phỏng
2.4.1 Mô hình vật liệu bê tông trong ABAQUS.
Phần mềm ABAQUS (SIMULIA, 2008) mô hình hóa hiện tượng phá hoại dẻo trong bê tông thông qua hai loại phá hoại chính: vết nứt chịu kéo và cường độ chịu nén Ứng xử nén dọc trục và kéo dọc trục của bê tông là những tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo này.
2.4.1.1 Quan hệ độ cứng chịu kéo.
Trong mô hình phá hoại dẻo, việc mô phỏng tính ứng xử của bê tông trong miền kéo được thực hiện trong ABAQUS bằng cách chia nhỏ miền phá hủy Quan hệ ứng suất - biến dạng được thể hiện trong hình 2.2, với các thông số đầu vào như Modul đàn hồi (E), ứng suất (V) và biến dạng vết nứt (HH t t ck ck) phụ thuộc vào cấp độ bền của bê tông Biến dạng vết nứt (HH t t ck ck) được tính toán dựa trên tổng biến dạng theo một công thức cụ thể.
HH t t t ck ck ck H HH HHH t t tt ol el (1)
H - ứng suất trong miền đàn hồi.
H t - tổng biến dạng của bê tông.
Phần mềm Abaqus SIMULIA 2008 [5] sử dụng giá trị biến dạng dẻo (HH t t pl pl) để kiểm tra chính xác đường cong phá hủy, được tính toán dựa vào công thức (2) Hình 2.2 minh họa mô hình độ cứng chịu kéo của bê tông.
2.4.1.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền nén. Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén, thông số đầu vào: Ứng suất chịu nén(V c ), biến dạng ngoài miền đàn hồi (HH c c in in ) được xác định bằng công thức (3) theo tổng biến dạng và biến dạng dẻo được tính toán bằng công thức (4)
HH c c c in in in H HH HH c c cc oc el (3)
H - biến dạng trong miền đàn hồi.
H c - tổng biến dạng trong miền chịu nén.
H c pl HH in c (4) Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu nén được minh họa hình 2.3
Hình 2.3 – Mô hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng.
2.4.2 Một số mô hình số vật liệu bê tông.
Trong đề tài nghiên cứu này, có hai mô hình vật liệu bê tông được đề xuất trong tính toán: Mô hình Hsu-Hsu (1994) [6] và Mô hình Hognestad
Hai mô hình vật liệu bê tông cốt thép và bê tông cốt lưới dệt hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu Một trong những nghiên cứu tiêu biểu là "Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường dệt bằng bê tông cốt lưới dệt" của các tác giả Nguyễn Huy Cường, Vũ Văn Hiệp và Lê Đăng Dũng (2012) Nghiên cứu này áp dụng mô hình E.Hognestad để mô phỏng hành vi của vật liệu bê tông trong quá trình phân tích sự phá hoại của dầm được gia cường bằng lưới cốt sợi Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác tương đối cao so với thực nghiệm.
Nghiên cứu "Phân tích phi tuyến của thí nghiệm thất bại uốn dầm bê tông cốt thép dựa trên Abaqus" của các tác giả Deng Sihua, Qie Ze và Wang Li (2015) đã sử dụng mô hình Hognestad để mô phỏng tính chất vật liệu trong dầm bê tông Kết quả nghiên cứu cho thấy biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và lực của mô phỏng và thực nghiệm đạt độ chính xác tương đối cao.
Hình 2.4– Kết quả so sánh mô phỏng và thí nghiệm thực tế [5]
Ngoài ra, nghiên cứu “A Material Model for Flexural Crack Simulation in Reinforced Concrete Elements Using Abaqus”, của các tác giả
Nghiên cứu của Wahalathantri, Thambiratnam và Chan Fawzia (2012) đã áp dụng mô hình Hsu – Hsu (1994) để mô phỏng tính chất vật liệu bê tông trong dầm bê tông thông qua thí nghiệm uốn ba điểm và bốn điểm Kết quả cho thấy mô phỏng đạt độ chính xác tương đối cao so với các dữ liệu thực nghiệm.
Mô hình Hsu mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu bê tông thông qua hai loại phá hoại chính: vết nứt chịu kéo và cường độ chịu nén phá hủy Mô hình này tương tự như đường cong trong phần mềm Abaqus, dựa trên cường độ chịu nén và chịu kéo dọc trục để thể hiện đặc tính của bê tông Từ đó, mô hình cung cấp hai đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cho bê tông, giúp mô tả rõ hơn tính chất của vật liệu khi làm việc.
Mô hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông
Mô hình số cho ứng cử chịu kéo của bê tông, được đề xuất bởi Hsu-Hsu (1994) và phát triển bởi Nayal và Rasheed (2006), đã được áp dụng thành công trong phần mềm Abaqus Mô hình này không chỉ thể hiện ứng xử chịu kéo của bê tông mà còn mô tả sự hình thành cường độ chịu kéo dựa trên quan hệ ứng suất biến dạng đẳng hướng Hình 2.5 minh họa mô hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép theo Hsu-Hsu (1994) và phiên bản sửa đổi bởi Nayal và Rasheed (2006) phù hợp với Abaqus.
Hình 2.5 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).
Việc sửa đổi mô hình độ cứng chịu kéo theo nghiên cứu của Nayal và Rasheed (2006) là cần thiết để khắc phục lỗi trong phần mềm Abaqus Khi biến dạng lớn nhất H cr đạt giá trị 0.8u V t 0, phần mềm sẽ báo lỗi Do đó, cần điều chỉnh giá trị ứng suất biến dạng tại các vị trí đạt giá trị biến dạng cực hạn 125 u H cr, 0.77 u V t 0 và H V cr, t 0 nhằm tránh tình trạng này khi thực hiện chạy mô phỏng.
Hình 2.6 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus
Mô hình số đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền chịu nén được thiết lập theo phương pháp của Hsu – Hsu (1994) Mô hình này cho phép phát triển quan hệ ứng suất - biến dạng cho bê tông đến cường độ nén một trục phá hủy khoảng 0.3 u V cu, và có thể tính toán cho bê tông có cường độ chịu nén khoảng 60MPa Đường cong ứng suất – biến dạng Hsu – Hsu được minh họa trong hình 2.7.
Hình 2.7 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu
Trong hình 2.7, cường độ chịu nén cực hạn tại V0c và H0 tương ứng với biến dạng H d là 0.3 u V t 0 Miền đàn hồi chiếm khoảng 50% cường độ chịu nén cực hạn Mô hình phương pháp số Hsu – Hsu được sử dụng để tính toán cường độ chịu nén từ 0.5 u V c 0 đến 0.3 u V c 0 Đường cong ứng suất – biến dạng theo Hsu – Hsu thỏa mãn phương trình (5).
- hệ số phụ thuộc vào hình dạng đường cong ứng suất - biến dạng.
E 0 1.2431 10 u 2 V cu 3.28312 10u 3 - hệ sô Modul đàn hồi.
H d - được xác định tại vị trí ứng suất 0.3 u V c 0 được tính toán thông dựa vào V c 0.8uV cu
Mô hình Hognestad, được phát triển bởi E Hognestad, tương tự như mô hình Hsu-Hsu, nhằm mô tả tính chất phi tuyến của bê tông dựa trên mô hình phá hoại dẻo Mô hình này thiết lập đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng cho cả miền chịu kéo và miền chịu nén, dựa trên cường độ chịu kéo và chịu nén dọc trục, để phản ánh tính chất làm việc của bê tông.
Mô hình ứng xử chịu nén của bê tông được thiết lập dựa trên đường cong ứng suất – biến dạng vùng chịu nén, theo phương pháp số do E Hognestad phát triển Hình 2.8 minh họa rõ nét mô hình này.
Hình 2.8– Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén
Trong hình 2.8, Các hệ số được tính toán bằng các công thức sau:
Trong đó: f c - cường độ chịu nén cực hạn bê tông.
H 0 - biến dạng tại giá trị cường độ chịu nén cực hạn.
H u - biến dạng cực hạn bê tông.
Mô hình ứng xử chịu kéo của bê tông.
Phương pháp số do E Hognestad phát triển mô tả quan hệ giữa đường cong ứng suất và biến dạng trong miền chịu kéo, được thể hiện qua hình 2.9 và xác định bằng công thức cụ thể.
D H H ư Đ Đ ã ã ° ăă u uă á áá d ° â â ạ ạ °® ° t ° Đ ã ° ăâ áạ ¯
Trong đó: f t - cường độ chịu kéo bê tông.
H t - biến dạng kéo cực hạn bê tông.
D t - hệ số điều chỉnh đường cong (D t = 1y2)
Hình 2.9 – Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo
Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của cốt thép được chia thành bốn giai đoạn chính: giai đoạn tuyến tính (AB), giai đoạn chảy (BC), giai đoạn tái bền (CD) và giai đoạn hóa mềm (DE).
Trong mô hình thép, quan hệ ứng suất và biến dạng được khái quát hóa, tuy nhiên, trong tính toán cốt thép, vật liệu này được coi là đàn dẻo lý tưởng, bỏ qua giai đoạn tái bền và mềm hóa Cấu trúc bê tông cốt thép thường có dạng thanh hoặc lưới, do đó không cần xem xét ứng xử ba chiều của cốt thép Để đơn giản hóa quá trình tính toán, mô hình vật liệu của cốt thép được áp dụng dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.
Hiện nay, có hai quan niệm chính về mô hình thép dựa trên mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng một chiều: mô hình thép đàn dẻo lý tưởng và mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng.
2.5.1 Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL).
Mô hình vậu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được xây dựng dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép, như thể hiện trong hình 2.11 Đường cong này được xác định bởi các thông số quan trọng của thép, bao gồm Modul đàn hồi E s và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn f y.
Hình 2.11– Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL)
2.5.2 Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL). Ứng xử của cấu kiện chịu uốn bị ảnh hưởng lớn khi cốt thép chảy Do quá trình chảy của thép làm tăng đột ngột biến dạng của kết cấu nên điều kiện hội tụ khó được đảm bảo trong quá trình tính toán Vì vậy, sử dụng mô hình đàn dẻo sẽ đảm bảo được sự hội tụ cho tới khi cấu kiện đạt cường độ tới hạn Giả thiết về biến dạng hóa cứng tuyến tính ngay khi cốt thép chảy không ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả, đồng thời độ dốc của nhánh hóa cứng cũng được xác định để đảm bảo năng lượng biến dạng của mô hình bằng với năng lượng biến dạng của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép từ thực nghiệm Thực tế, mô hình này đã được áp dụng thành công trong một số nghiên cứu của các tác giả như ( Ngo và Scordelis [8], Vebo và Ghali [11],
Nghiên cứu của H y và H u (2008) chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình cải tiến mô hình đàn dẻo cho cốt thép chịu lực mang lại kết quả chính xác hơn so với mô hình đàn dẻo lý tưởng Mô hình này được sử dụng cho cả cốt thép dọc và cốt thép đai, như thể hiện trong hình 2.12.
Hình 2.12– Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL.
Thông số tính toán cho mô hình
2.6.1 Hệ số modul đàn hồi.
Trong quá trình tính toán các thông số mô phỏng, modul đàn hồi là yếu tố quan trọng để thiết lập các phép tính Từ modul đàn hồi, ta có thể xác định đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông Theo tiêu chuẩn ACI - 318, hệ số modul đàn hồi chủ yếu phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông, và có công thức tính modul đàn hồi cho bê tông đá dựa trên cường độ chịu nén.
E c - modul đàn hồi của bê tông kg 2 cm
' f c - cường độ chịu nén của bê tông (psi) x Đối với bê tông xỉ
Theo tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng, modul đàn hồi của bê tông xỉ không chỉ phụ thuộc vào cường độ chịu nén mà còn vào khối lượng thể tích khô của xỉ Nghiên cứu “Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt liệu xỉ thép” (2014) chỉ ra rằng việc áp dụng công thức tính modul đàn hồi cho bê tông nặng vào xỉ sẽ dẫn đến sai lệch lớn, do trọng lượng riêng của xỉ lớn hơn 2500 kg/cm², khiến xỉ được xem như bê tông nặng.
E c - modul đàn hồi của bê tông kg 2 cm w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng wt2500 2 kg cm
' f c - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).
Sau nhiều lần thí nghiệm nén mẫu để đo modul đàn hồi cho bê tông xỉ, tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng nhận thấy rằng giá trị modul đàn hồi thu được trong thí nghiệm lớn hơn so với giá trị tính toán theo công thức (9) một lượng sai lệch hằng số.
Tác giả đã đề xuất công thức sửa đổi để tính toán mô đun cho bê tông xỉ, dựa trên công thức tính toán mô đun cho bê tông nặng.
E c - modul đàn hồi của bê tông 2 kg cm w - khối lượng thể tích khô của bê tông nặng wt2500 kg cm 2
' f c - cường độ chịu nén của bê tông (Mpa).
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng công thức (10) để tính toán modul đàn hồi của bê tông xỉ.
Hệ số Poisson là một trong những thông số quan trọng để mô phỏng tính chất vật liệu bê tông, tương tự như hệ số modul đàn hồi Mặc dù hệ số Poisson của bê tông đã được nghiên cứu nhiều, nhưng thông tin về bê tông xỉ vẫn còn hạn chế Nghiên cứu “Ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt liệu xỉ thép” của Nguyễn Thị Thúy Hằng (2015) chỉ ra rằng hệ số Poisson của bê tông xỉ được xác định qua phương pháp thực nghiệm mẫu nén 15x15 Tác giả đã tiến hành thí nghiệm với nhiều mẫu bê tông xỉ tại phòng thí nghiệm vật liệu của trường đại học sư phạm kỹ thuật, và kết luận rằng giá trị hệ số Poisson của bê tông xỉ dao động từ 0.1 - 0.2, gần tương tự như bê tông đá truyền thống Trong luận văn này, chúng tôi cũng áp dụng hệ số Poisson được kết luận từ nghiên cứu trên.
2.6.3 Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh)
Việc chia phần tử trong mô phỏng ảnh hưởng lớn đến sự hội tụ và kết quả phân tích tính toán Do đó, lựa chọn độ mịn phù hợp khi chia lưới là rất quan trọng để đảm bảo rằng kích thước phần tử không tác động tiêu cực đến kết quả Hiện tại, chưa có nghiên cứu nào đưa ra tỉ lệ hợp lý giúp giảm sai số trong tính toán mà vẫn tương thích với cấu hình máy tính Bài luận văn này sẽ khảo sát một số giá trị chia phần tử để đánh giá độ chính xác của từng tỉ lệ, từ đó đề xuất một tỉ lệ chia hợp lý cho thí nghiệm dầm chịu uốn ba điểm.
2.6.4 Thông số mô hình phá hoại dẻo
Trong bài viết này, chúng tôi áp dụng mô hình phá hoại dẻo để mô phỏng tính toán cho dầm Để thực hiện điều này, phần mềm Abaqus yêu cầu khai báo các thông số dẻo cho mô hình, được trình bày chi tiết trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo
2.6.5 Loại phần tử trong mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phần tử C3D8R từ thư viện vật liệu của phần mềm Abaqus để rời rạc hóa mô hình Phần tử C3D8R là loại khối 3 chiều với 8 nút tuyến tính, được áp dụng cho các phần tử bê tông thông thường và bê tông xỉ trong quá trình mô phỏng tính toán.
Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa dưới dạng khối, dầm hoặc thanh, nhưng trong nghiên cứu này, mô hình phần tử dạng khối không được lựa chọn do tăng khối lượng tính toán Do thanh cốt thép có độ uốn ngoài trục nhỏ, phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô phỏng cốt thép chịu lực Cụ thể, phần tử dây (wire) trong Abaqus được chọn để mô phỏng cốt thép Các thanh thép này được nhúng vào bê tông, giúp tăng độ cứng kết cấu với giả thiết bám dính giữa bề mặt bê tông và cốt thép là tuyệt đối Dữ liệu đầu vào cho phần tử này chỉ cần diện tích mặt cắt ngang mà không cần định nghĩa cụ thể hình học của mặt cắt.
2.6.6 Mô hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực
Hiện tượng vết nứt trong dầm bê tông cốt thép và hiện trượt giữa bê tông và cốt thép là nguyên nhân chính gây ra sự phát triển phi tuyến của vật liệu này Trong giai đoạn này, vật liệu có hành vi khác biệt so với giai đoạn đàn hồi, do đó cần có mô hình riêng cho hai hiện tượng này Mô hình bám dính giữa bê tông và cốt thép chịu lực được mô tả rõ ràng trong tài liệu.
Hình 2.13– Mô hình bám dính của 2 loại vật liệu.
Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định mô hình bám dính giữa bê tông và cốt thép, với giả thuyết rằng mối bám dính là tuyệt đối Tuy nhiên, do những hạn chế và điều kiện thí nghiệm, mức độ sai số sẽ xuất hiện trong quá trình mô phỏng dựa trên giả thuyết này.
Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus
ABAQUS là phần mềm mạnh mẽ cho mô phỏng công trình và kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, với khả năng giải quyết từ phân tích tuyến tính đơn giản đến các vấn đề phi tuyến phức tạp Phần mềm này sở hữu kho phần tử phong phú, cho phép mô phỏng nhiều hình dạng khác nhau, cùng với kho mô hình vật liệu đa dạng, bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu composite và bê tông cốt thép Ngoài việc phân tích kết cấu như ứng suất và chuyển vị, ABAQUS còn hỗ trợ mô phỏng trong các lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử và phân tích cơ học môi trường điện áp.
ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và
ABAQUS/Explicit là một phần mềm mạnh mẽ trong phân tích động, bên cạnh đó còn có hai khối phân tích đặc biệt là ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Environment) đóng vai trò là giao diện người dùng, hỗ trợ các công việc tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, cũng như phân chia mạng lưới Trong khi đó, ABAQUS/Viewer được sử dụng để thực hiện phân tích và xử lý kết quả.
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM
Các tính toán nén mẫu để lấy thông số đầu vào cho mô hình
3.1.1 Cấp phối bê tông sử dụng trong thí nghiệm.
Trong nghiên cứu này, cấp phối bê tông được áp dụng dựa trên thí nghiệm của tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng (2014) Cụ thể, cấp phối này cho bê tông thường đạt cường độ chịu nén khoảng 30MPa, trong khi bê tông xỉ có cường độ chịu nén đạt khoảng 40MPa.
Bảng 3.1:Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ.
Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường.
3.1.2 Kết quả nén cường độ.
Cường độ chịu nén của mẫu khối lập phương trong thí nghiệm dầm mô phỏng được thể hiện trong bảng 3.2 Để xác định cường độ chịu nén, chúng tôi sử dụng mẫu lập phương có kích thước 150x150x150mm và chuyển đổi sang mẫu trụ 150x300mm theo công thức chuyển đổi (11) để đưa thông số vào mô phỏng.
+ f c cy - cường độ chịu nén mẫu trục 150x300mm (MPa) + f c cu - cường độ chịu nén mẫu lập phương 150x150x150mm
Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ
Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm
Thí nghiệm với mụt huyết nhằm nâng cao tính ổn định và khả năng chịu lực cho các kết cấu bê tông tại Việt Nam đã được thực hiện Bài viết trình bày kết quả khảo sát thực nghiệm trên các mẫu dầm bê tông kích thước lớn, tập trung vào mối quan hệ giữa lực và độ võng, cũng như lực và biến dạng của dầm bê tông có và không có xỉ thép Qua đó, bài viết so sánh các ưu, nhược điểm của cốt liệu xỉ thép với các cốt liệu truyền thống, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu quả sử dụng xỉ thép trong xây dựng.
3.2.2 Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm.
Các bộ dụng cụ thí nghiệm đòi hỏi phải phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế, độ chính xác cao, dễ lắp ráp, sử dụng.
3.2.2.1 Cảm biến đo biến dạng láStrain Gage (cảm biến điện trở dây).
Strain gage là thiết bị dùng để đo biến dạng trên bề mặt của các cấu kiện Đây là loại cảm biến điện trở rất mỏng, thường được gọi với nhiều tên khác nhau như cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo, và cảm biến sức căng.
Strain gages được gắn lên các kết cấu để theo dõi biến dạng Thiết bị này đo kích thước và tần số rung của dây căng, từ đó cho phép tính toán sự thay đổi biến dạng so với trạng thái ban đầu Trong thí nghiệm, Strain Gauge được sử dụng tại vị trí giữa dầm.
3.2.2.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement
Cảm biến LVDT được sử dụng để đo độ võng của các khối cấu kiện khi chịu tác động của tải trọng tĩnh hoặc động Để đảm bảo kết quả đo chính xác, việc xác định mặt phẳng chuẩn làm điểm tựa là rất quan trọng Điểm tựa này cần phải cố định và không di chuyển, được coi là cứng tuyệt đối Một đầu của cảm biến sẽ được gắn vào kết cấu, trong khi đầu còn lại được gắn vào điểm tựa Khi có tải trọng tác động, vị trí của cấu kiện sẽ thay đổi so với điểm tựa, và độ võng cần đo chính là sự thay đổi này.
Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị.
Trong thí nghiệm này ta dùng 2 LVDT cho 2 vị trí cách điểm giữa dầm ra 2 bên một khoảng cách 75 cm và 2 LVDT cho vị trí giữa dầm.
Để kiểm tra khả năng chịu lực thực tế của cấu kiện, thí nghiệm với máy uốn dầm dưới tải trọng tĩnh thường được sử dụng Phương pháp này giúp đánh giá khả năng làm việc của cấu kiện trong giai đoạn phục vụ (Serviceability limit state - SLS) cũng như khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate limit state - ULS).
Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện.
3.2.2.4 Máy ghi lực chuyển vị và biến dạng (Data Logger) Được sử dụng với tất cả các cảm biến dây rung Khi đọc các lực tải, chuyển vị hay biến dạng, máy tích hợp đa tự động quét qua tất cả các cảm biến dây rung, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và bù đắp, và hiển thị các tải trực tiếp trong đơn vị kỹ thuật Tất cả các kết quả đọc có thể được lưu trữ và xuất sang một số định dạng tập tin khác nhau.
Hình 3.4: Máy ghi sốliệu thực nghiệm.
Trong thí nghiệm này, máy ghi dữ liệu (data logger) sẽ thu thập các thông số về biến dạng ở giữa dầm, tải trọng tác dụng, và các chuyển vị giữa và ở dầm bờ tông cốt thép sử dụng xỉ thay thế cho cốt liệu thô.
Các dụng cụ, thiết bị thí nghiệm cũng được chuẩn bị để cân đo, pha chế theo tỷ lệ cho trước
Gia công cốt thép và ván khuôn dầm theo kích thước định sẵn đảm bảo chất lượng công trình Cốt thép được gia công với độ dày lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 25mm, giúp tăng cường độ bền cho kết cấu Trước khi sử dụng, khuôn được lau sạch và bôi một lớp dầu mỏng vào mặt trong để đảm bảo việc tháo dỡ dễ dàng và không làm hư hại bề mặt bê tông.
Hình 3.5: Gia công cốt thép và ván khuôn.
Sau khi định lượng vật liệu bằng các quy trình cân đo đong đếm, tiến hành công tác trộn bê tông.
Trước khi đúc mẫu bê tông, cần tiến hành kiểm tra độ sụt để đảm bảo chất lượng Sau đó, đổ hỗn hợp bê tông tươi vào khuôn và thực hiện đầm dùi để bê tông lấp đầy khuôn, tránh tình trạng bề mặt dầm bị rỗ.
Hình 3.6: Quá trình trộn bê tông.
Hình 3.7: Công tác đầm dùi.
Để đảm bảo nước xi măng chảy đều và tránh hiện tượng rổ mặt khi tháo khuôn, hãy dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn Sau đó, sử dụng bay để xoa phẳng mặt khuôn Đừng quên ghi nhãn cho mẫu với các thông tin cần thiết như hạng mục, ký hiệu mẫu, ngày đúc, mác và người đúc, rồi tiến hành dưỡng hộ Khi mẫu đã được dưỡng hộ đủ thời gian, tiến hành thí nghiệm nén, lưu ý rằng mặt chịu nén phải là mặt tiếp xúc với thành khuôn.
Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm.
Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường ĐHSPKT
Dầm được đặt trên các gối tựa đơn của máy uốn, trong khi thiết bị đo biến dạng và chuyển vị được lắp đặt trên dầm để ghi nhận kết quả chính xác.
Dầm bê tông kích thước 3300 x 200 x 300 (mm) Các gối đỡ cách đầu dầm 150 mm Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm [16].
Cốt thép chịu kéo được sử dụng là thép phi 14 với diện tích tiết diện ngang là 153,9 mm², trong khi cốt thép chịu nén sử dụng thép phi 12 với diện tích tiết diện ngang tương ứng.
As = 113,1 mm 2 Cốt thép đai chịu cắt phi 6 a100 mm có As = 2,3 mm 2
Hình 3.10: Thiết kế dầm tính toán [16].
Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT [16].
Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ
Từ kết quả thực nghiệm của dầm bê tông thường và bê tông xỉ, ta thu được kết quả sau:
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông thường.
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tông xỉ.
Kết quả thu được từ Strain gauge được gắn ở giữa dầm
Hình 3.14:Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông thường.
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tông xỉ.
Kết quả thu được từ Strain gaugeđược gắn ở 1/4 dầm
Hỡnh 3.16:Biểu đồ quan hệ biến dạng ẳ dầm và lực của dầm bờ tụng thường.
Hỡnh 3.17:Biểu đồ quan hệ biến dạng ẳ dầm và lực của dầm bờ tụng xỉ.
THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN ABAQUS
Thông số tính toán cho mô hình
4.1.1 Mô hình vật liệu bê tông.
Kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén ở chương 3 cùng với công thức tính toán các thông số mô hình vật liệu bê tông ở chương 2 đã cho ra các thông số tính toán đặc trưng của bê tông, bao gồm modul đàn hồi E c, hệ số Poisson X c, cường độ chịu kéo f c và cường độ chịu nén f t Những thông số này được trình bày chi tiết trong bảng 4.1 cho hai loại dầm bê tông: dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê tông xỉ (SRCB).
Bảng 4.1:Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ.
Dựa vào các thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ, có thể tính toán các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông Các mô hình số này được phát triển bởi Hsu-Hsu và E Hognestad.
2.4.2.1 Thông số của mô hình Hsu – Hsu (1994)
Mô hình Hsu-Hsu gồm có hai thông số về đường cong miền chịu nén và đường cong miền chịu kéo
Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu-Hsu
Mô hình vật liệu bê tông của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của SRCB Ứng suất
Bảng 4.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu
Mô hình vật liệu bê tông của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của
2.4.2.2 Thông số của mô hình E Hognestad (1951).
Mô hình E Hognestad gồm có hai thông số về đường cong miền chịu nén và đường cong miền chịu kéo
Bảng 4.4: Thông số miền chịu nén của mô hình E Hognestad
Mô hình vật liệu bê tông của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của
Bảng 4.5: Thông số miền chịu kéo của mô hình E Hognestad
Mô hình vật liệu bê tông của RCB
Mô hình vật liệu bê tông của SRCB Ứng suất
4.1.2 Mô hình vật liệu thép.
Trong đề tài này, các thông số tính toán đặc trưng của thép AIII bao gồm modul đàn hồi E s, hệ số Poisson X s, cường độ chịu kéo f y và cường độ chịu kéo cực hạn f u được trình bày chi tiết trong bảng 4.6.
Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép
Dựa trên các thông số cốt thép trong bảng 4.6, chúng ta có thể tính toán các thông số cần thiết cho mô hình Trong nghiên cứu này, có hai loại mô hình để mô tả vật liệu cốt thép: mô hình SEPL và mô hình IEPL.
4.1.2.1 Thông số mô hình SEPL.
Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất của cốt thép được thể hiện qua mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, với các thông số quan trọng như modul đàn hồi.
E s , hệ số poission X s , cường độ chịu kéo f y
Bảng 4.7:Thông số đặc trưng của mô hình SEPL
4.1.2.2 Thông số mô hình IEPL.
Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất của cốt thép được thể hiện qua mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, tương tự như mô hình SEPL, với các thông số quan trọng bao gồm modul đàn hồi E s, hệ số Poisson X s, cường độ chịu kéo f y, cường độ chịu kéo cực hạn f u và biến dạng chịu kéo cực hạn H u.
Bảng 4.8: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL
4.1.3 Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử.
4.1.3.1 Loại phần tử mô phỏng.
Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R từ thư viện vật liệu của phần mềm Abaqus được sử dụng để rời rạc mô hình C3D8R là phần tử khối 3 chiều với 8 nút tuyến tính, phù hợp cho mô phỏng các phần tử bê tông thường và bê tông xỉ trong tính toán.
Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối, dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2.
Bảng 4.9: Loại phần tử mô phỏng dầm
Phần tử mô phỏng Bê tông Cốt dọc chịu kéo
Cốt dọc chịu nén Cốt đai Đệm thép
4.1.3.2.Tỉ lệ chia phần tử.
Tỉ lệ chia phần tử ảnh hưởng đáng kể đến tính hội tụ của kết quả và hiệu suất tài nguyên máy tính Nghiên cứu này khảo sát nhiều tỉ lệ chia khác nhau, bao gồm Mesh 200, Mesh 100, Mesh 80, Mesh 50 và Mesh 20 Qua việc so sánh các kết quả từ các tỉ lệ chia này, bài viết đề xuất tỉ lệ chia tối ưu nhằm cân bằng giữa độ chính xác của kết quả và tài nguyên máy tính cần thiết để giải quyết bài toán.
4.1.3.3 Thông số mô hình phá hoại dẻo.
Trong mô phỏng theo mô hình phá hoại dẻo, các thông số được sử dụng để mô tả tính chất của vật liệu bê tông và vật liệu cốt thép là rất quan trọng Mô hình này yêu cầu các thông số dẻo, và những thông số này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.
Bảng 4.10: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình.
+ Kc – Tỉ số cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cường độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc.
+ H - Hệ số lệch tâm vật liệu.
+ V V b 0 c 0 - Hệ số giữa cường độ chịu nén 1 trục với cường độ chịu nén
4.1.3.4 Nhận xét về thông số đầu vào.
Mô hình phá hoại dẻo được trình bày với các thông số đầu vào thu được từ thí nghiệm 8 mẫu dầm bê tông cốt thép thường và bê tông xỉ cốt thép Do số lượng mẫu thí nghiệm hạn chế, độ chính xác của mô hình mô phỏng chỉ ở mức tương đối Các thông số mô hình phá hoại chỉ mang tính tham khảo theo hướng dẫn của Abaqus, dẫn đến kết quả mô phỏng dầm có thể có sai số nhất định và không hoàn toàn chính xác.
Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS
Việc xây dựng các cấu kiện, từ modul trên thanh trong môi trường làm việc của phần mền Abaqus và lựa chọn công năng Part trên thanh modul
4.2.1.1 Cấu kiện dầm bê tông
Trên vùng công cụ, sử dụng biểu tượng "Create Part" để mở cửa sổ "Create Part" Trong cửa sổ này, bạn cần đặt tên cho cấu kiện trong mục "Name", chọn đối tượng mô phỏng 3D trong "Modeling Space", xác định loại phần tử là "deformable" trong mục "Type", và cuối cùng, trong mục "Base Feature", chọn dạng "Solid" và loại "Extrusion" để tạo ra phần tử 3.
Hình 4.1:Cửa sổ Create Part trong Abaqus.
Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng
(Create lines connected) trên vùng thanh công cụ, ở vùng thông báo hiển thị
Chọn điểm bắt đầu cho đường thẳng bằng cách nhập tọa độ X Y, sau đó màn hình đồ họa sẽ hiển thị điểm bắt đầu Tiếp theo, vùng thông báo sẽ yêu cầu bạn chọn điểm kết thúc của đường thẳng hoặc nhập tọa độ X Y, và một đường thẳng liên tục sẽ xuất hiện trên màn hình Tiếp tục nhập tọa độ cho các điểm đến cho đến khi hoàn thành mặt cắt dọc dầm theo hình 4.2 Cuối cùng, nhấn Esc trên bàn phím để kết thúc lệnh vẽ.
Hình 4.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.
Sau khi hoàn thành việc thiết lập mô hình hình học hai chiều cho cấu kiện, bạn có thể sử dụng lệnh "Add Dimension" trên vùng công cụ để tiến hành đo kiểm tra kích thước dầm, như minh họa trong hình 4.3.
Hình 4.3:Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông.
Cuối cùng, sử lệnh Save Model Database trên thanh công cụ để lưu mặt cắt vừa thiếp lập
Sau khi hoàn tất việc vẽ mặt cắt dọc dầm, vùng thông báo sẽ hiển thị như hình 4.4 Tiếp theo, nhấn nút "Done" để mở cửa sổ "Edit Base Extrusion", thiết lập chiều cao dầm bằng cách điều chỉnh Depth, sau đó nhấn "OK" để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ Mô hình dầm bê tông hoàn chỉnh sẽ được hiển thị như hình 4.5.
Hình 4.4:Cửa số Edit Base Extrusion
Hình 4.5: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông.
4.2.1.2 Cấu kiện tấm đệm thép.
Cấu kiện tấm thép đệm ở gối và tấm thép đệm lực khởi tạo tương tự như đối với cấu kiệm dầm bê tông.
Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều tương tự như đối với dầm bê tông Sau khi khởi tạo thành công xuất hiện như hình 4.6
Hình 4.6: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép.
Việc khởi tạo cấu kiện ba chiều cho cấu kiện đệm thép được thực hiện tương tự như đối với cấu kiện dầm bê tông, và sau khi quá trình khởi tạo thành công, hình 4.7 sẽ xuất hiện.
Hình 4.7:Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép.
4.2.1.3 Cấu kiện cốt thép đai.
Trên vùng công cụ, người dùng chọn biểu tượng "Create Part" để mở cửa sổ "Create Part" Tại đây, có các mục quan trọng như "Name" để đặt tên cho cấu kiện, "Modeling Space" để sử dụng đối tượng mô phỏng 3D, "Type" để chọn loại phần tử deformable, và "Base Feature" nơi người dùng chọn dạng Wire với loại Planar.
Sau khi khởi động giao diện vẽ đồ họa hai chiều, bạn thực hiện các bước tương tự cho cấu kiện dầm Tiếp theo, sau khi khởi tạo hình vẽ hai chiều, hãy tiến hành đo kích thước kiểm tra như hình 4.8.
Hình 4.8:Mô hình hình học hai chiều của cốt đai.
Sau khi hoàn thành việc khởi tạo mô hình hai chiều, hãy nhấn nút "Done" trong vùng thông báo Mô hình ba chiều của vòng thép đai sẽ được hiển thị như hình 4.9 sau khi hoàn tất.
Hình 4.9: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai.
4.2.1.4 Cấu kiện cốt thép dọc.
Khởi tạo xây dựng cấu kiện cốt thép dọc tương tự như đối với cốt thép đai.
Sau khi hoàn tất các bước khởi tạo đối tượng, việc vẽ hình hai chiều cho cấu kiện cốt thép dọc được thực hiện tương tự như phần cốt thép đai Kết quả là hoàn thành việc vẽ hình hai chiều cho cốt thép dọc, như thể hiện trong hình 4.10.
Hình 4.10: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc.
Sau khi hoàn tất việc khởi tạo mô hình hai chiều, hãy nhấn nút "Done" trên vùng thông báo Kết quả là mô hình ba chiều của vòng thép đai sẽ được hiển thị như trong hình 4.11.
Hình 4.11: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc.
4.2.2 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt
In the Create Material tool, the Edit Material window appears, where you can enter the Name of the component Next, click on General – Density to input the Mass Density value for concrete Then, navigate to Mechanical – Elasticity – Elastic to enter the Young’s Modulus and Poisson's ratio for concrete Finally, select Mechanical – Concrete Damaged Plasticity, and under the Plasticity section, input the parameters for the plasticity model as outlined in section 4.1.3.3, specifically in the Compressive category.
Hành vi nhập giá trị đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông chịu nén được thể hiện trong hình 4.12, tương tự như trong mục Hành vi kéo, nơi cũng nhập giá trị đường cong ứng suất – biến dạng cho bê tông chịu kéo Cuối cùng, chọn OKE để hoàn tất việc thiết lập thông số cho vật liệu bê tông.
Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông.
Vật liệu cốt thép chịu lực
In the Create Material tool, the Edit Material window appears, allowing you to enter the Name of the component Next, click on General – Density, where you can input the Mass Density value for steel.
Tiếp tục lựa chọn Mechanical – Elasticity – Elastic, trong cửa sổ Data nhập các giá trị Young’s Modulus, hệ số poission của thép Tiếp tục lựa chọn
Trong phần Plasticity của mô hình dẻo, hãy nhập các thông số đường cong ứng suất - biến dạng của cốt thép tại mục 4.1.3.3 Sau khi hoàn tất, nhấn OKE để hoàn thành việc chỉnh sửa thông số vật liệu.
Vật liệu thép đệm lực
Thiết lập vật liệu cho thép đệm lực tương tự như đối với cốt thép chịu lực, nhưng thay đổi thông số vật liệu của thép đệm.
4.2.2.2 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt.
Để định nghĩa thuộc tính mặt cắt tiết diện trong phần mềm, sử dụng công cụ Create Section để mở cửa sổ Create Section Trong hộp thoại, người dùng cần nhập tên tiết diện, chọn Category là đối tượng Solid và Type là Homogeneous, sau đó nhấn Continue Tiếp theo, cửa sổ Edit Section sẽ xuất hiện, cho phép thêm Material cho mặt cắt; các tùy chọn khác có thể giữ nguyên mặc định và nhấn OK để hoàn tất Quy trình này cũng áp dụng tương tự cho việc định nghĩa mặt cắt cho tấm đệm thép.
Hình 4.13:Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông
