TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về vật liệu bê tông geopolymer và kết cấu bán lắp ghép
Theo báo cáo thường niên về việc sử dụng nguồn tài nguyên của Trung Quốc năm 2012, sản lượng tro bay của nước này trong năm 2011 đạt 540 triệu tấn Trong khi đó, Ấn Độ cũng ghi nhận sự gia tăng lượng tro bay từ 66,88 triệu tấn năm 1996 lên 163,56 triệu tấn năm 2012 Tuy nhiên, phần lớn tro bay vẫn chưa được sử dụng hiệu quả, chủ yếu bị đổ vào bãi hoặc dùng để san lấp ao hồ, dẫn đến lãng phí tài nguyên quý giá và gây hại cho môi trường.
Geopolymer là một loại vật liệu được phát triển nhằm tận dụng nguyên liệu từ chất thải công nghiệp như tro bay, tro trấu và xỉ lò cao Nhờ đó, geopolymer trở thành một chất kết dính xanh, thân thiện với môi trường hơn so với xi măng truyền thống.
Mặc dù vật liệu geopolymer có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số nhược điểm, chẳng hạn như quá trình trùng ngưng chỉ diễn ra dưới tác dụng của nhiệt độ, và thời gian lưu nhiệt cùng dung dịch alkaline đóng vai trò quan trọng trong việc đóng rắn vật liệu từ tro bay Để khắc phục những nhược điểm này, bê tông geopolymer có thể được ứng dụng vào các cấu kiện bán lắp ghép và cấu kiện lắp ghép được đúc sẵn tại các nhà máy.
Nghiên cứu trước đây cho thấy kết cấu lắp ghép thường gặp hạn chế trong vùng động đất mạnh do hiệu suất liên kết kém Để áp dụng cấu kiện đúc sẵn cho các khu vực có động đất vừa và mạnh, cần nâng cao chất lượng liên kết của kết cấu lắp ghép, dẫn đến sự phát triển của cấu kiện bán lắp ghép nhằm khắc phục nhược điểm này Trong thực tế, kết cấu bán lắp ghép được ứng dụng rộng rãi cho nhiều loại công trình, bao gồm nhà cao tầng, nhà thấp tầng và cầu, với phần lớn các cấu kiện được sản xuất tại nhà máy và vị trí liên kết giữa các cấu kiện được thiết kế để thực hiện sau.
Tại công trường, việc đúc trực tiếp cho phép bố trí các đoạn thép chờ và cáp dự ứng lực để liên kết các kết cấu với nhau Các dạng kết cấu bán lắp ghép như dầm, sàn, cột và móng đang được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng.
Hình 1.1 mô tả kết cấu của các thành phần trong xây dựng, bao gồm: a) Dầm bán lắp ghép, b) Cột bán lắp ghép liên kết tại chân cột, c) Sàn rỗng bán lắp ghép 2 lớp thay thế coppha, và d) Sàn bán lắp ghép tại vị trí liên kết với dầm.
Việc sử dụng bê tông geopolymer trong các vị trí liên kết giữa các cấu kiện bán lắp ghép đòi hỏi biện pháp dưỡng hộ nhiệt tại công trường Để giảm thiểu yêu cầu này, có thể thay thế bằng bê tông xi măng Trước đây, các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào cấu kiện đúc sẵn bằng bê tông xi măng, và vị trí liên kết cũng sử dụng cùng loại chất kết dính Do đó, việc nghiên cứu ứng xử của cấu kiện bán lắp ghép với hai loại vật liệu là bê tông geopolymer và bê tông xi măng là cần thiết.
Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Phan Đức Hùng và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của thành phần hoạt hóa đến cường độ chịu uốn và kéo gián tiếp của bê tông geopolymer Nghiên cứu chỉ ra rằng thành phần dung dịch hoạt hóa có tác động đáng kể đến cường độ của bê tông geopolymer; cụ thể, khi tỷ lệ các thành phần hoạt hóa, đặc biệt là tro bay, giảm thì cường độ của bê tông geopolymer cũng giảm theo.
Trần Việt Hưng đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của dầm geopolymer tro bay cốt thép và đưa ra kết luận rằng mô hình vật liệu cho bê tông trong phần mềm Abaqus có thể áp dụng cho bê tông geopolymer tro bay Ngoài ra, bê tông geopolymer cho thấy tính dẻo lớn hơn so với bê tông xi măng cùng cấp.
Tạ Tuấn Anh đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu độ bám dính giữa bê tông geopolymer và cốt thép Kết quả cho thấy, cường độ bê tông geopolymer càng cao thì độ bám dính với cốt thép càng mạnh Ngoài ra, khi đường kính của thép gân tăng lên, lực kéo tuột cũng gia tăng.
Nguyễn Thắng Xiêm đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm về khả năng ứng dụng tro bay làm phụ gia trong vữa và bê tông trên nền geopolymer Trong quá trình thí nghiệm, tác giả đã tiến hành nén các mẫu hình trụ có đường kính 100mm và cao 200mm, thí nghiệm uốn mẫu kích thước 40x40x160mm và thí nghiệm đập mẫu vữa kích thước 10x10x50mm để xác định năng lượng đập với các cấp phối khác nhau Kết quả cho thấy, việc bổ sung nước vào các hỗn hợp sẽ làm giảm nồng độ kiềm súc tác, dẫn đến quá trình geopolymer hóa bị giảm.
Phan Viết Đức Hoàng và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thí nghiệm và mô phỏng lực kéo tuột giữa bê tông geopolymer và cốt thép Trong nghiên cứu, tác giả áp dụng mô hình Hsu – Hsu để mô phỏng bê tông geopolymer, trong khi đó, mô hình thép bốn giai đoạn được sử dụng bao gồm: giai đoạn làm việc tuyến tính, giai đoạn chảy, giai đoạn tái bền và giai đoạn mềm hóa.
Nghiên cứu này đề cập đến 5 cấp phối bê tông geopolymer và ba loại đường kính thép 12mm, 16mm, 20mm, với chiều dài đoạn neo của thép trong bê tông là 100mm Kết quả cho thấy sự chênh lệch lớn nhất giữa mô phỏng và thực nghiệm mà tác giả thực hiện là 4,5%.
Hoàng Mạnh đã thực hiện nghiên cứu mô hình tổng thể nhà cao tầng bê tông cốt thép bán lắp ghép chịu tải trọng động đất tại Việt Nam với kích thước 3,75m chiều cao và 2,20x2,30m mặt bằng, gồm 12 tầng Mô hình có trọng lượng khoảng 7,800kg, trong đó tầng 1 cao 450mm và các tầng 2-12 cao 275mm Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và phân tích lý thuyết, đồng thời chỉ ra rằng trong giai đoạn làm việc đàn hồi, độ cứng của kết cấu không thay đổi, trong khi ở giai đoạn làm việc đàn – dẻo, vết nứt xuất hiện và độ cứng của kết cấu thay đổi theo các cấp tải khác nhau.
Phạm Đức Thiện và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm bán lắp ghép 2 lớp sử dụng bê tông geopolymer và bê tông xi măng Mô hình thí nghiệm gồm dầm bán lắp có kích thước 200x300mm và dài 3000mm, với phần dưới làm bằng bê tông geopolymer kích thước 200x200mm, trong khi phần còn lại được đổ bằng bê tông xi măng Ngoài ra, tác giả cũng đúc các dầm bê tông geopolymer toàn khối để so sánh kết quả chịu uốn Kết quả cho thấy, dầm bán lắp ghép 2 lớp có khả năng chịu tải tương đương với dầm geopolymer đồng nhất khi có cùng cường độ chịu nén.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
K B Smitha và cộng sự [11] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của sàn bê tông geopolymer cốt thép sử dụng sợi gia cường Các tác giả đã làm nghiên cứu thực nghiệm về ảnh hưởng của cốt sợi đến cường độ chịu nén và kéo của bê tông
Nghiên cứu cho thấy rằng việc thêm cốt sợi vào bê tông geopolymer không chỉ làm tăng cường độ mà còn giảm độ võng so với bê tông không có cốt sợi.
B Tamilamuthan và cộng sự [12] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer ứng suất trước Các tác giả đã làm thực nghiệm so sánh ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép ứng sức trước so với dầm bê tông geopolymer ứng sức trước Từ các kết quả thí nghiệm tác giả đã đưa ra kết luận cường độ chịu uốn của hai loại dầm này là tương đương nhau nhưng độ võng của dầm geopolymer lớn hơn gần 20% độ võng của dầm sử bê tông xi măng
K Nehemiya và cộng sự [13] đã nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử chịu uốn của sàn bê tông geopolymer với các biên ngàm Các tác giả đã sử dụng các mẫu sàn bê tông geopolymer có cùng kích thước đem đi thí nghiệm và so sánh với kết quả tính toán lý thuyết Từ các kết quả thí nghiệm và tính toán theo lý thuyết tác giả đã đưa ra kết luận ứng xử của sàn bê tông geopolymer giống như sàn bê tông xi măng
K T Nguyen và cộng sự [14] đã nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng về ứng xử chịu uốn của dầm bê tông geopolymer Các tác giả đã tiến hành thực hiện thí nghiệm và so với kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Abaqus của dầm bê tông geopolymer cốt thép và đưa ra kết luận việc sử dụng Abaqus dự đoán ứng xử của dầm bê tông geopolymer khá tốt có thế chấp nhận được
S Suprapto [15] đã nghiên ứng xử chịu uốn của kết cấu sàn bán lắp ghép để hạn chế việc sử dụng cốp pha trong quá trình xây dựng Tác giả đã thực hiện thí nghiệm sàn bán lắp ghép có cấu tạo 2 lớp, với lớp bên dưới được đúc sẵn đóng vai trò như cốp pha trong quá trình xây dựng và lớp sàn bên trên được tiến được đổ sau, sau đó tác giả đã đem kết quả thí nghiệm sàn bán lắp ghép này so sánh với sàn đổ toàn khối có cùng kích thước và cùng hàm lượng thép, số lượng cốt thép chịu lực Sau quá trình thí nghiệm tác giả đã rút ra được kết luận khả năng chịu uốn tới hạn của sàn bán lắp ghép có xu hướng tiến đến gần khả năng chịu uốn của sàn đổ toàn khối
D Irawan và cộng sự [16] đã nghiên cứu ứng xử cấu kiện sàn bán lắp ghép với kích thước sàn là 2,20x2,20m và được chia thành 2 lớp với lớp dưới là tấm kết cấu
Lý do chọn đề tài
Gần đây, nghiên cứu đã tập trung vào ứng xử chịu uốn của các cấu kiện dầm và sàn bê tông geopolymer cốt thép, cũng như kết cấu bán lắp ghép hai lớp sử dụng bê tông geopolymer và bê tông xi măng Tuy nhiên, việc khảo sát cấu kiện bán lắp ghép kết hợp hai loại vật liệu này, đặc biệt là ở cấu kiện console với liên kết đối đầu nằm trong vùng nguy hiểm có ứng suất lớn, vẫn chưa được thực hiện Do đó, mối liên kết giữa bê tông xi măng và bê tông geopolymer có thể ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu uốn của cấu kiện console.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của liên kết giữa bê tông xi măng và bê tông geopolymer đến khả năng chịu uốn của cấu kiện bán lắp ghép dạng console, đề tài “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp ghép dùng 2 loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng” đã được lựa chọn thực hiện.
Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là phân tích ứng xử chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp ghép, sử dụng hai loại vật liệu chính là bê tông geopolymer và bê tông xi măng Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc so sánh hiệu suất và tính chất của hai loại vật liệu này trong ứng dụng thực tiễn.
Dự đoán sự ảnh hưởng của độ bền liên kết giữa bê tông xi măng và bê tông geopolymer đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp ghép là rất quan trọng Việc sử dụng hai loại vật liệu này có thể tác động đáng kể đến hiệu suất và độ bền của cấu kiện, từ đó nâng cao chất lượng công trình Nghiên cứu này sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa độ bền liên kết và khả năng chịu lực của sàn console, góp phần vào việc tối ưu hóa thiết kế và thi công trong ngành xây dựng.
Cốt thép dọc gia cường cục bộ tại vị trí liên kết giữa bê tông xi măng và bê tông geopolymer có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn console bán lắp Việc tối ưu hóa thiết kế cốt thép dọc không chỉ nâng cao độ bền mà còn cải thiện hiệu suất chịu lực của các cấu kiện này Nghiên cứu cho thấy rằng sự kết hợp giữa hai loại bê tông có thể mang lại lợi ích vượt trội trong việc gia tăng khả năng chịu uốn, từ đó nâng cao độ an toàn và tuổi thọ của công trình.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài này là mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus, kết hợp với việc so sánh kết quả thu được từ thực nghiệm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tính toán thông số mô hình vật liệu của bê tông cho mô phỏng Abaqus
Đường cong ứng suất – biến dạng của bê tông đã được xác định qua phương pháp số và thực nghiệm của Hsu – Hsu (1994) và có thể áp dụng để phát triển mối quan hệ ứng suất – biến dạng dưới lực nén dọc trục, đạt đến giá trị của miền phá hủy Mô hình này có khả năng tính toán cho bê tông có cường độ lên đến 62 MPa.
Mô hình vật liệu Hsu – Hsu (1994) đã được áp dụng rộng rãi và cho kết quả khả quan trong nhiều nghiên cứu trước đây, bao gồm “A Material Model for Flexural Crack Simulation in Reinforced Concrete Elements Using Abaqus” của B L Wahalathantri, “Khảo sát các mô hình phá hoại dẻo của dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm uốn ba điểm” của Nguyễn Tất Thành, và “Thí nghiệm và mô phỏng kéo tuột giữa bê tông geopolymer và cốt thép” của Phan Viết Đức Hoàng Vì vậy, luận văn này đã chọn mô hình Hsu-Hsu (1994) để mô phỏng cho vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng.
2.1.1 Mô hình số đường cong ứng suất – biến dạng chịu nén của bê tông
Hình 2.1: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng miền chịu nén theo Hsu - Hsu
Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng tuân theo định luật Hook trong miền đàn hồi, được giả định lên đến 50% cường độ chịu nén tối đa Mô hình số Hsu – Hsu (1994) chỉ áp dụng để tính toán giá trị ứng suất nén từ 0,5 cu của miền đàn hồi đến 0,3 cu của miền phá hủy của vật liệu thông qua một phương trình cụ thể.
Trong đó: là hệ số phụ thuộc và biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng
o là biến dạng tại vị trí đạt được ứng suất cực đại
Giá trị mô đun đàn hồi E0 được tính toán bởi biểu thức sau:
Trong bài viết, tác giả sử dụng các phương trình với đơn vị cho c , cu , E 0 là kip/in² Do đó, cần chuyển đổi đơn vị trong quá trình tính toán, với hệ số chuyển đổi là 1 MPa = 0,145037743 kip/in².
2.1.2 Xác định cường độ chịu kéo của bê tông
Cường độ chịu kéo gián tiếp của bê tông có thể được tính toán thông qua cường độ chịu nén, dựa trên công thức do D Hardjito đề xuất vào năm 2005 Công thức này thể hiện mối quan hệ giữa hai loại cường độ này, giúp xác định cường độ chịu kéo một cách chính xác hơn.
2.1.3 Mô hình số đường cong ứng suất – biến dạng chịu kéo của bê tông
Mô hình do H A Rasheed phát triển vào năm 2006 đã được điều chỉnh để tương thích với phần mềm Abaqus, mang lại kết quả hội tụ tốt trong môi trường này Mô hình thể hiện sự hình thành cường độ chịu kéo dựa trên quan hệ ứng suất – biến dạng đẳng hướng.
Theo mô hình H A Rasheed, biến dạng tới hạn ( cr) xảy ra khi ứng suất đạt giá trị tối đa ( t 0) Khi ứng suất giảm xuống còn 0,8 × ( t 0), phần mềm sẽ báo lỗi, dẫn đến việc đề xuất một mô hình cải tiến Mô hình mới này điều chỉnh giá trị ứng suất biến dạng tại hai vị trí, trong đó vị trí đạt giá trị biến dạng cực hạn sẽ có giá trị biến dạng – ứng suất tương ứng.
Giá trị biến dạng và ứng suất của bê tông tại vị trí kết thúc ứng xử chịu kéo được điều chỉnh thành (8,7 cr ;0,1 t 0 ) từ (1, 25 cr ;0, 77 t 0 ) nhằm tránh tình trạng báo lỗi trong quá trình mô phỏng Abaqus.
Hình 2.2: Quan hệ ứng suất – biến dạng của H A Rasheed (2006) [23]
Hình 2.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng sửa đổi [23]
Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng
Mô hình vật liệu thép sử dụng để mô phỏng Abaqus được thể hiện ở hình 2.9
Mô hình vật liệu thép này bao gồm 4 giai đoạn làm việc: Giai đoạn thép làm việc tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và mềm hóa (DE)
Hình 2.4: Mô hình của vật liệu thép [8]
Thông số mô hình phá hoại dẻo trong mô phỏng Abaqus
Ngoài các thông số mô tả tính chất của bê tông và cốt thép, mô hình cũng cần có thông số dẻo, được trình bày trong bảng dưới đây.
Bảng 2.1: Thông số mô hình phá hoại dẻo
Tỉ số cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cường độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc được ký hiệu là Kc Hệ số lệch tâm vật liệu được biểu thị bằng ɛ Hệ số giữa cường độ chịu nén 1 trục và cường độ chịu nén 2 trục được ký hiệu là σb0 / σc0 Góc phá hủy được ký hiệu là ψ, trong khi độ nhớt được ký hiệu là à.
Liên kết giữa bê tông và cốt thép trong mô phỏng Abaqus
Nghiên cứu của Phan Viết Đức Hoàng cho thấy rằng trong thí nghiệm và mô phỏng kéo tuột giữa bê tông geopolymer và cốt thép, hiện tượng trượt không xảy ra khi chiều dài đoạn neo lớn hơn 5 lần đường kính Liên kết giữa bê tông và cốt thép được mô phỏng bằng dạng liên kết “tie” dính chặt, cho kết quả hội tụ tốt so với thực nghiệm Đối với cấu trúc sàn console bán lắp ghép, đoạn neo thép cũng lớn hơn 5 lần đường kính và sẽ được uốn vuông góc, do đó, lựa chọn liên kết “tie” dính chặt trong phần mềm Abaqus là hợp lý để đảm bảo tính chính xác trong mô phỏng.
Lý thuyết tính toán vết nứt trong phần mềm Abaqus
2.5.1 Mô hình liên kết của vết nứt
Mô hình vết nứt dính kết, được giới thiệu lần đầu bởi A Hillerborg vào năm 1976, mang lại một phương pháp hiệu quả để nghiên cứu sự phá hoại giòn của bê tông Ưu điểm nổi bật của mô hình này là khả năng mô phỏng cả quá trình hình thành và phát triển vết nứt Trong khi đó, các phương pháp khác như LEFM (Cơ học Vết nứt Đàn hồi Tuyến tính) không thể mô hình hóa giai đoạn khởi đầu của vết nứt.
Trong phương pháp phân tích phần tử hữu hạn, ứng xử kết dính giữa các mặt liên kết của các phần tử được gọi là phương pháp vùng kết dính CZM (Cohesive Zone Method) Có ba cách để liên kết các phần tử: thứ nhất, các phần tử liên kết trực tiếp qua các cạnh trong phần tử 2D và qua các mặt trong phần tử 3D; thứ hai, sử dụng một phần tử trung gian với các thuộc tính kết dính như lớp keo; và thứ ba, dùng một phần tử rời rạc giống như lò xo Luận văn này áp dụng phương pháp liên kết trực tiếp giữa các phần tử thông qua các mặt của chúng.
13 a) Liên kết kết dính thông qua phần tử trung gian b) Liên kết với nhau thông qua loxo
Hình 2.5: Các cách liên kết giữa các thành phần cấu kiện với nhau trong phần mềm
2.5.2 Liên kết của vật liệu trong phần mềm Abaqus
Trong phần mềm Abaqus quy luật liên kết giữa các phân tử được thể hiện thông qua biểu đồ sau:
Đường cong quan hệ lực kéo – tách cho các chế độ thuần túy mode I, mode II và mode III được trình bày trong phần mềm Abaqus (Abaqus Analysis User’ Guide, 2016) [25] K là độ cứng đàn hồi của luật kéo – tách, thể hiện sự ràng buộc giữa các phần tử Hình ảnh trên cho thấy mối quan hệ này một cách trực quan và rõ ràng.
Giá trị K được chia thành ba loại: K nn, K ss và K tt, thể hiện đường nghiên từ góc tọa độ đến vị trí bắt đầu xuất hiện phá hủy Nó cũng phản ánh độ cứng của thành phần kết dính theo phương ứng suất pháp và hai phương ứng suất cắt tương ứng F max là giá trị ứng suất liên kết lớn nhất, trong khi init là giá trị chuyển vị tại vị trí bắt đầu xuất hiện phá hủy Diện tích bên dưới đường cong kéo – tách được gọi là năng lượng phá hủy.
2.5.3 Các tiêu chí bắt đầu sự phá hoại của liên kết của vật liệu trong phần mềm Abaqus
Sự khởi đầu phá hoại là giai đoạn đầu tiên trong quá trình suy giảm độ cứng của liên kết vật liệu, xảy ra khi các ứng suất, biến dạng hoặc chuyển vị đạt đến giá trị giới hạn được xác định trong phần mềm Khi tỷ số giữa biến đầu ra và tiêu chí phá hủy đạt 1 hoặc lớn hơn, điều này cho thấy tiêu chí đã được đáp ứng, dẫn đến sự hình thành và phát triển của phá hoại Trong phần mềm Abaqus, tiêu chí phá hủy theo ứng suất giới hạn cho sự khởi đầu phá hoại được thể hiện qua một biểu thức cụ thể.
Đối với vật liệu chịu ba dạng phá hủy đồng thời, tiêu chí phá hủy theo ứng suất giới hạn trong phần mềm Abaqus được thể hiện qua biểu thức cụ thể.
Tiêu chí phá hủy theo biến dạng giới hạn trong phần mềm Abaqus được khởi đầu bằng một biểu thức cụ thể, tương tự như tiêu chí phá hủy cho dạng thuần túy.
Trong phần mềm Abaqus, tiêu chí bắt đầu phá hủy đối với vật liệu chịu đồng thời ba dạng phá hủy được xác định dựa trên biến dạng giới hạn.
Tiêu chí phá hủy theo chuyển vị giới hạn cho dạng thuần túy trong phần mềm Abaqus được thể hiện thông qua biểu thức sau:
(2.11) Đối với vật liệu chịu đồng thời của 3 dạng phá hủy thì tiêu chí khởi đầu phá hủy theo chuyển vị giới hạn trong phần mềm Abaqus như sau :
n : Ứng suất pháp tuyến danh nghĩa
s : Ứng suất cắt theo phương thứ nhất
t : Ứng suất cắt theo phương thứ hai
n : Biến dạng theo phương ứng suất pháp tuyến
s : Biến dạng theo phương ứng suất cắt thứ nhất
t : Biến dạng theo phương ứng suất cắt thứ hai
n : Chuyển vị tách theo phương ứng suất pháp tuyến
s : Chuyển vị trượt theo phương ứng suất cắt thứ nhất
t : Chuyển vị trượt theo phương ứng suất cắt thứ hai
2.5.4 Sự phát triển của phá hủy liên kết của vật liệu Định luật phát triển phá hủy liên kết của vật liệu mô tả tốc độ suy giảm độ cứng khi các tiêu chí phá hủy được đáp ứng Phản ứng khởi đầu phá hủy liên kết của vật liệu xác định bởi hàm vô hướng được thể hiện ở phương trình sau [25] [26]:
D là biến phá hủy vô hướng của vật liệu, có giá trị từ 0 đến 1, với D=0 đại diện cho vật liệu không bị phá hủy và D=1 cho sự phá hủy hoàn toàn Giá trị ứng suất liên kết còn lại sau quá trình phá hủy được ký hiệu là , trong khi K coh là độ cứng đàn hồi của luật kéo – tách ban đầu Cuối cùng, là giá trị chuyển vị lớn nhất của liên kết trong suốt quá trình gia tải.
Hình 2.7 Mô tả dạng bilinear luật kéo – tách trong phần mềm Abaqus (Abaqus
Trong phần mềm Abaqus, có hai phương pháp để định nghĩa sự phát triển phá hủy liên kết của vật liệu Phương pháp đầu tiên dựa trên năng lượng phá hủy, liên quan đến giá trị chuyển vị của liên kết tại điểm vật liệu bị phá hủy hoàn toàn (δ fail) và giá trị chuyển vị mà tại đó liên kết bắt đầu hình thành sự phá hủy.
Phương pháp thứ hai trong nghiên cứu hủy hoại vật liệu G c là định nghĩa sự phát triển phá hủy dựa trên chuyển vị hiệu quả của liên kết, cùng với việc xem xét năng lượng phá hủy liên kết.
Sự phát triển phá hủy liên kết của vật liệu liên quan đến năng lượng tiêu tán trong quá trình phá hủy Trong phần mềm Abaqus, tốc độ tiêu tán năng lượng của vật liệu được mô tả thông qua hai dạng chính.
G I , G II và G III tương ứng là năng lượng phá hủy theo phương ứng suất pháp tuyến, phương ứng suất cắt thứ nhất và phương ứng suất cắt thứ hai
Trong đó: Đối với vật liệu đẳng hướng (G IIC =G IC ) kết quả không phụ thuộc vào giá trị
G IC, G IIC và G IIIC đại diện cho năng lượng phá hủy tối đa theo các phương ứng suất khác nhau: G IC cho phương ứng suất pháp tuyến, G IIC cho phương ứng suất cắt thứ nhất và G IIIC cho phương ứng suất cắt thứ hai.
Sự phát triển phá hủy liên kết của vật liệu trong phần mềm Abaqus được xác định thông qua chuyển vị liên kết, và điều này có thể được mô tả bằng một trong hai biểu thức.
- Sự phát triển phá hủy tuyến tính (linear damage evolution): max max
- Sự phát triển phá hủy theo cấp lũy thừa hằng số e (Exponetial damage evolution): max max
1 exp( ) init m m init fail init m m m m
n : Chuyển vị tách theo phương pháp tuyến
s : Chuyển vị trượt theo phương cắt thứ nhất
t : Chuyển vị trượt theo phương cắt thứ hai init
m : Chuyển vị của liên kết mà tại đó vật liệu bắt đầu xuất hiện sự phá hủy fail
m : Chuyển vị của liên kết mà tại đó vật liệu bị phá hủy hoàn toàn max
m : Chuyển vị của liên kết trong quá trình tác dụng tải
: Là tham số không thứ nguyên dùng để định nghĩa tốc độ phát triển phá hủy
2.5.5 XFEM– Dựa trên nền tảng ứng xử kết dính của phần tử
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Nguyên vật liệu
Tro bay loại F đạt tiêu chuẩn ASTM C618 với khối lượng riêng 2500kg/m3, độ mịn 94% và kích thước hạt lọt sàng 0,08mm Thành phần hóa học của tro bay được trình bày chi tiết trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Cấp phối bê tông geopolymer (1m 3 ) Thành phần hóa học
Cát dùng cho bê tông xi măng cần đáp ứng tiêu chuẩn TCVN 7570:2006, với mô đun độ lớn đạt 1,82 Khối lượng riêng của cát là 2,61g/cm3 và khối lượng thể tích là 1,52g/cm3.
Hình 3.3 Đường biểu diễn thành phần hạt của cát
3.1.3 Đá Đá sử dụng cho đề tài nghiên cứu này là đá dăm thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật theo tiêu chuẩn TCVN 7570:2006 có kích thước ≤ 20mm, khối lượng riêng 2700 kg/m 3 , khối lượng thể tích là 1450 kg/m 3
Kích thước lỗ sàn (mm)
Giới hạn thành phần hạtCát
Hình 3.5: Đường biểu diễn thành phần hạt của đá
Hỗn hợp dung dịch kiềm kích hoạt, bao gồm Natri Hydroxyt (NaOH) và thủy tinh lỏng (Na2SiO3), đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy quá trình geopolymer hóa.
NaOH dạng vảy khô có độ tinh khiết trên 90%, và để pha chế dung dịch NaOH, cần hòa tan NaOH dạng vảy khô vào nước cho đến khi đạt được nồng độ mol mong muốn.
Kích thước lỗ sàn (mm)
Giới hạn thành phần hạt Đá
Sau khi cho NaOH vào thùng nước, sẽ dùng đũa thủy tinh khuấy cho tan hết để tạo thành dung dịch NaOH
Hình 3.6: NaOH dạng vảy nến
3.1.6 Dung dịch thủy tin lỏng (Na 2 SiO 3 )
Dung dịch thủy tinh lỏng có tỉ lệ SO2/Na2O= 2,5 (modun silic) Tỷ trọng 1,42± 0,01 g/ml
Hình 3.7: Dung dịch thủy tinh lỏng
Nước sử dụng trộn bê tông theo TCVN 4560:2012 nước trộn bê tông và vữa – yêu cầu kỹ thuật Nước được sử dụng trong thí nghiệm là nước thủy cục
Xi măng sử dụng để trộn bê tông lấy theo TCVN 6260:2012 Xi măng Porland hỗn hợp – yêu cầu kỹ thuật.
Cấp phối bê tông dùng trong thí nghiệm
Cấp phối bê tông geopolymer trong nghiên cứu này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu trước đây của Nguyễn Đức Hoành và Lê Khánh Thảo, với cường độ chịu nén khoảng 20 MPa cho cả hai loại bê tông.
Bảng 3.2: Cấp phối bê tông geopolymer (1m 3 )
Bảng 3.3: Cấp phối bê tông xi măng (1m 3 )
Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện sàn
3.3.1 Cảm biến đo biến dạng strain gauges
Strain Gauge là một loại cảm biến mỏng được sử dụng để đo biến dạng bề mặt của cấu kiện bê tông Cảm biến này còn được biết đến với nhiều tên gọi khác như cảm biến điện trở dây, cảm biến điện trở biến dạng, cảm biến lá đo và cảm biến sức căng Việc sử dụng Strain Gauge giúp theo dõi và đánh giá sự biến dạng của bê tông một cách chính xác.
Strain Gauge được gắn trực tiếp lên cấu trúc cần đo biến dạng, cho phép thiết bị đo kích hoạt và ghi nhận tần số rung của dây căng Qua đó, người dùng có thể tính toán chính xác mức độ biến dạng của kết cấu.
Trong thí nghiệm, biến dạng được ghi nhận là 24 độ so với trạng thái ban đầu Strain Gauge được lắp đặt ở mặt trên tại vị trí kết nối giữa bê tông geopolymer và bê tông xi măng, cũng như tại mép trong của gối sàn console.
3.3.2 Cảm biến đo độ võng LVDT (Linear Variable Displacement
Cảm biến LVDT được sử dụng để đo độ võng của các khối cấu kiện dưới tác động của tải trọng tĩnh hoặc động Để đảm bảo kết quả đo chính xác, cần xác định mặt phẳng chuẩn làm điểm tựa cố định, được coi là cứng tuyệt đối Một đầu của cảm biến được gắn vào kết cấu, trong khi đầu còn lại gắn vào điểm tựa Khi có tải trọng tác động, vị trí của cấu kiện sẽ thay đổi so với điểm tựa, và đây chính là độ võng cần đo.
Hình 3.9: Thiết bị đo chuyển vị
Để đánh giá khả năng chịu lực thực tế của cấu kiện, thí nghiệm với máy uốn sàn sử dụng tải trọng tĩnh là phương pháp phổ biến Thí nghiệm này giúp kiểm tra khả năng làm việc của cấu kiện trong giai đoạn sử dụng (Serviceability Limit State) và khả năng chịu lực tới hạn (Ultimate Limit State).
Hình 3.10: Máy uốn cấu kiện
3.3.4 Máy ghi lực, chuyển vị và biến dạng (Data Logger)
Data Logger kết hợp với cảm biến dây rung để đo lực tải, chuyển vị và biến dạng Thiết bị tự động quét tất cả các cảm biến, áp dụng hệ số hiệu chỉnh và hiển thị tải trực tiếp theo đơn vị kỹ thuật Tất cả kết quả đo được lưu trữ và có thể xuất sang nhiều định dạng tập tin khác nhau.
Hình 3.11: Máy ghi số liệu thực nghiệm.
Quy trình đúc mẫu sàn
Để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình polymer hóa, hãy pha dung dịch Alkaline trước 24 giờ Sau đó, tiến hành cân các thành phần nguyên liệu theo cấp phối đã được xác định sẵn.
3.4.2 Gia công cốp pha và cốt thép
Gia công cốt thép và ván khuôn sàn theo kích thước định sẵn là quy trình quan trọng trong xây dựng Cốt thép được gia công với lớp bê tông bảo vệ tối thiểu 15mm, đảm bảo độ bền và an toàn cho công trình Đồng thời, ván khuôn cần được làm sạch trước khi tiến hành đổ bê tông, giúp tăng cường chất lượng và độ chính xác của kết cấu.
Hình 3.12: Gia công cốt thép và ván khuôn
Luận văn này trình bày mẫu sàn bán lắp ghép thí nghiệm có kích thước 2,0x0,5x0,1m, bao gồm ba loại sàn với cấu tạo khác nhau Sàn loại S01 có phần sàn đúc sẵn bằng bê tông geopolymer kích thước 1,0x0,5x0,1m và phần sàn đổ sau bằng bê tông xi măng Sàn loại S02 sử dụng bê tông xi măng cho phần sàn đúc sẵn với kích thước tương tự và phần sàn đổ sau cũng giống như sàn S01 Sàn loại S03 có cấu tạo tương tự như sàn S01 nhưng được gia cường thép cục bộ tại vị trí liên kết giữa hai loại bê tông, với thép đường kính 8mm và khoảng cách 50mm Tất cả các sàn đều có cấu tạo thép hai lớp đường kính 8mm, với khoảng cách giữa các thanh thép là 150mm.
Bảng 3.4 Cấu tạo sàn bán lắp ghép
Tên sàn Mô tả Cấu tạo thép Kích thước
S01 Sàn bán lắp ghép dùng bê tông geopolymer và bê tông xi măng d8a150 2000x500x100
S02 Sàn bán lắp ghép chỉ dùng bê tông xi măng d8a150 2000x500x100
S03 Sàn bán lắp ghép dùng bê tông geopolymer và bê tông xi măng được gia cường thép d8a50 tại vị trí liên kết d8a150 2000x500x100
27Hình 3.13: Bản vẽ bố trí thép sàn.
3.4.3 Nhào trộn và đổ mẫu
Trộn đều tro bay và cốt liệu khô trong 2 phút bằng máy trộn, sau đó thêm dung dịch kiềm vào và tiếp tục trộn trong 3 phút Nếu sử dụng phụ gia, hãy cho vào trước khi hoàn tất quá trình trộn.
Tiến hành đổ bê tông được chia thành hai lớp để đảm bảo quá trình đầm đạt hiệu quả Trong suốt quá trình này, cần lấy mẫu bê tông hình trụ với đường kính 150mm và chiều cao 300mm, tất cả các mẫu này sẽ được đầm và dưỡng hộ nhiệt giống như các mẫu sàn Sau khi hoàn tất việc đổ bê tông, cần làm phẳng bề mặt để đạt được chất lượng công trình tốt nhất.
Hình 3.14: Đổ bê tông sàn
3.4.4 Dưỡng hộ nhiệt Đối với sàn bán lắp ghép dùng 2 loại vật liệu bê tông geopolymer và bê tông xi măng, sau khi đúc tất cả các mẫu được để trong điều kiện nhiệt độ bình thường trong vòng 6 ngày, sau đó đem đi dưỡng hộ nhiệt độ ở nhiệt độ 100 o C trong vòng 8 giờ
Dưỡng hộ nhiệt cho sàn bê tông geopolymer là rất quan trọng Đối với mẫu sàn bán lắp ghép sử dụng bê tông xi măng, quá trình dưỡng hộ nên được thực hiện ở nhiệt độ bình thường Cần sử dụng bao tải để đắp và tưới nước thường xuyên nhằm giữ ẩm cho mẫu bê tông.
3.4.5 Đổ phần còn lại của sàn
Sau khi hoàn tất quá trình dưỡng hộ nhiệt cho bê tông geopolymer, cần lưu mẫu trong điều kiện thường khoảng 12 giờ Tiếp theo, tiến hành gỡ cốp pha tại các mạch ngừng và thực hiện làm sạch bề mặt Cuối cùng, quét sikadur 732 với tỷ lệ pha A:B là 2:1, với mật độ khoảng 0.8 kg/m².
Mẫu sàn bê tông này được thi công tương tự như sàn bê tông xi măng, với phần đổ sau thực hiện theo quy trình của sàn bán lắp ghép sử dụng bê tông geopolymer kết hợp với bê tông xi măng Sau khi hoàn tất việc quét sikadur, cần chờ khoảng 20 phút trước khi đổ phần còn lại của sàn Trong quá trình đúc, các mẫu thử sẽ được lấy và dưỡng hộ ẩm liên tục trong 28 ngày, sau đó sẽ tiến hành nén mẫu để xác định cường độ và mô đun.
Hình 3.16: Quét Sikadur 732 tại vị trí liên kết với phần còn lại của sàn.
Thí nghiệm đo cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu bê tông
Sau khi hoàn tất quá trình đúc và dưỡng hộ mẫu, mẫu bê tông sẽ được đem đi thí nghiệm cường độ và mô đun đàn hồi tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Mẫu bê tông có kích thước đường kính đáy D0mm và chiều cao H00mm, được sử dụng để xác định cường độ, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson.
Hình 3.17: Thí nghiệm xác định cường độ, môđun và hệ số poisson
Kết quả thí nghiệm cho thấy bê tông xi măng có cường độ chịu nén trung bình cao hơn bê tông geopolymer 6,4%, đồng thời cũng cho thấy mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của bê tông xi măng vượt trội hơn.
Bê tông xi măng có cường độ chịu nén trung bình đạt 18,393 MPa, trong khi bê tông geopolymer có cường độ chịu nén trung bình là 17,279 MPa Mô đun đàn hồi trung bình của bê tông xi măng cao hơn bê tông geopolymer 2,1%, với giá trị lần lượt là 22,574 GPa và 22,103 GPa Hệ số Poisson của hai loại bê tông này gần như tương đương, với bê tông xi măng là 0,177 và bê tông geopolymer là 0,180 Các thông số đo lường chi tiết được trình bày từ bảng 3.4 đến bảng 3.7.
Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm cường độ của mẫu bê tông geopolymer
STT Mẫu Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén trung bình
Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm cường độ của mẫu bê tông xi măng
STT Mẫu Cường độ chịu nén
Cường độ chịu nén trung bình
Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu BTG
STT Mẫu Hệ số poisson
Hệ số poisson trung bình
Mô đun trung bình (GPa)
Bảng 3.8: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi và hệ số poisson của mẫu BTXM
STT Mẫu Hệ số poisson
Hệ số poisson trung bình
Mô đun trung bình (GPa)
Theo bảng kết quả cường độ chịu nén trung bình của mẫu trụ kích thước 150x300mm sau 28 ngày, cường độ nén trung bình của bê tông geopolymer đạt 20,734 MPa, trong khi bê tông xi măng đạt 22,072 MPa, tương đương với M200 Khi quy đổi sang cường độ tính toán theo TCVN 5574:2018, cường độ tính toán của bê tông geopolymer là 9,306 MPa và bê tông xi măng là 9,907 MPa, gần tương đương với bê tông B15 theo tiêu chuẩn TCVN.
Thí nghiệm kéo thép
Quá trình thí nghiệm kéo thép nhằm xác định cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi được thực hiện tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 3.18: Thí nghiệm kéo thép đường kính 8 mm Sau khi thực hiện quá trình kéo thép ta thu được biểu đồ sau:
Hình 3.19: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của thép đường kính 8mm
Lắp đặt và thí nghiệm kết cấu sàn
Tất cả các sàn đã được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, với cấu trúc sàn được gắn ngàm console và cố định bởi hệ dầm thép Để ghi nhận kết quả, các thiết bị đo biến dạng và chuyển vị được lắp đặt trên sàn, chi tiết sơ đồ lắp đặt được thể hiện trong hình dưới đây.
Hình 3.20: Sơ đồ lắp đặt cấu kiện sàn
3.7.1 Kết quả thực nghiệm sàn console bán lắp ghép
3.7.1.1 Hình ảnh kết quả thí nghiệm kết cấu sàn bán lắp ghép
Sau khi hoàn tất lắp đặt kết cấu và thiết bị, quá trình gia tải đã được thực hiện và kết quả được ghi nhận Đối với sàn bán lắp ghép BTXM – BTG (S01) và BTXM – BTXM (S02), vết nứt đầu tiên xuất hiện tại vị trí liên kết giữa bê tông mới và cũ Trong khi đó, sàn BTXM - BTG - GCT (S03) chỉ xuất hiện vết rạn nhỏ tại vị trí giữa gối và không có xu hướng mở rộng khi tiếp tục gia tải Khi tải trọng tăng, vết nứt thứ hai trên sàn S01 và S02 phát triển tại vị trí cách giữa gối khoảng 70mm về phía đối diện loadcell Tải trọng khi vết nứt đầu tiên xuất hiện lần lượt là khoảng 4,0 kN cho sàn S01, 6,0 kN cho sàn S02 và 8,0 kN cho sàn S03.
Hình 3.21: Hình ảnh kết quả thí nghiệm chịu uốn của sàn bán lắp ghép
THIẾT LẬP MÔ HÌNH TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS
Tính toán thông số đầu vào cho mô phỏng
4.1.1 Đặc trưng cơ học của bê tông
Từ kết quả thí nghiệm mẫu ở chương 3 thu được bảng thông số đặc trưng của vật liệu như sau:
Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông xi măng và bê tông geopolymer
4.1.2 Mô hình ứng xử của bê tông
Dựa vào các thông số đặc trưng vật liệu của bê tông xi măng và bê tông geopolymer, có thể tính toán các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông theo mô hình số do Hsu – Hsu phát triển.
Mô hình Hsu-Hsu gồm có hai thông số về đường cong miền chịu nén và đường cong miền chịu kéo như sau:
Hình 4.1: Thông số miền chịu nén và chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu cho vật liệu bê tông geopolymer
Hình 4.2: Thông số miền chịu nén và chịu kéo của mô hình Hsu-Hsu cho vật liệu bê tông xi măng
4.1.3 Thông số mô hình vật liệu thép
Từ kết quả thí nghiệm ở chương 3, ta có được các thông số đặc trưng của cốt thép được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4.2: Thông số đặc trưng của cốt thép
Bảng 4.3 Thông số quan hệ ứng suất biến dạng của cốt thép sau giai đoạn làm việc đàn hồi Ứng suất (Mpa)
4.1.4 Loại phần tử mô phỏng
Nghiên cứu này sử dụng phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần mềm Abaqus để rời rạc mô hình Phần tử C3D8R là loại khối ba chiều với 8 nút tuyến tính, được áp dụng cho các phần tử bê tông xi măng và bê tông geopolymer.
Các thanh cốt thép có thể được mô hình hóa dưới dạng khối, dầm hoặc thanh Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phần tử T3D2 (2-node linear 3D truss), một phần tử 3 chiều dạng thanh với 2 nút, để mô phỏng các đặc tính của phần tử cốt thép.
4.1.5 Thông số lực kết dính của 2 loại vật liệu
Trong quá trình thực nghiệm, thí nghiệm CMOD (Crack Mouth Opening Displacement) không được thực hiện, vì vậy nghiên cứu này dựa vào kết quả của H A Kormeling và H W Reinhardt (1982) về năng lượng phá hủy theo mode I của bê tông Các thông số cơ sở ban đầu cho mô phỏng được thiết lập từ nghiên cứu này và sẽ được điều chỉnh để đánh giá ảnh hưởng của năng lượng phá hủy đến các đặc tính của bê tông.
39 khả năng chịu uốn của kết cấu sàn console bán lắp ghép dùng 2 loại vật liệu BTG và BTXM
Hình 4.3: Mô hình thí nghiệm CMOD của H A Kormeling và H W Reinhardt
(1982) với dầm có bề rộng 100mm [30]
Hình 4.4: Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị thí nghiệm CMOD của H A Kormeling và H W Reinhardt (1982) [30]
Phương pháp phát triển phá hủy dựa trên năng lượng phá hủy và ứng suất bậc 2 danh nghĩa được áp dụng để mô phỏng liên kết giữa bê tông gia cường (BTG) và bê tông xi măng (BTXM) Các thông số cần tính toán để xác định sự kết dính giữa hai loại bê tông này bao gồm năng lượng phá hủy, ứng suất giới hạn và K IC của vật liệu Mô hình thí nghiệm CMOD được sử dụng để tính toán cho mode I, trong khi việc tính toán cho mode II và mode III là phức tạp hơn Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cho thấy kết cấu chủ yếu bị phá hủy bởi mode I, vì vậy độ cứng kết dính theo mode II và mode III trong nghiên cứu này được lấy bằng với mode I để khảo sát.
Năng lượng phá hủy của vật liệu theo Mode I được xác định thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của mô hình thí nghiệm CMOD, được tính toán theo công thức sau [30].
Năng lượng W0 được xác định bởi diện tích dưới đường cong quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị Khối lượng m là khối lượng của dầm nằm giữa hai gối tựa, với gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s² Biến dạng δ fail biểu thị mức độ biến dạng tại vị trí mà kết cấu bị phá hủy hoàn toàn khi F=0.
A: là diện tích tiết diện mặt cắt ngang tại vị trí vết làm dấu trước của dầm
Giá trị mgδ fail là giá trị năng lượng kể đến do trọng lượng bản thân của dầm gây ra
Dựa vào hai đường cong của biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị mô hình CMOD của H A Kormeling và H W Reinhardt (1982), diện tích bên dưới biểu đồ được tính toán lần lượt là 375 (N.mm) và 450 (N.mm) Sau khi thay hai giá trị diện tích này vào phương trình 4.1, ta thu được giá trị năng lượng phá hủy trung bình.
Ứng suất kéo giới hạn dựa trên biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của mô hình thí nghiệm CMOD được tính toán thông qua công thức sau:
M: Moment gây ra bởi tải trọng
W x : Moment kháng uốn của tiết diện
Thay giá trị của 2 biểu đồ hình 4.4 để tính toán ra giá trị ứng suất giới hạn trung bình như sau:
Hệ số độ cứng kết dính được tính toán thông qua công thức đề xuất của Y Jenq
K n EG (4.3) Với E là mô đun đàn hồi được tính tóan theo công thức đề xuất của Viện bê tông Hoa Kỳ, ACI 318-14: E4700 f ' ( c MPa), thay vào được như sau:
Thí nghiệm của H A Kormeling và H W Reinhardt (1982) sử dụng bê tông có cường độ cao hơn so với bê tông trong nghiên cứu này, dẫn đến các thông số năng lượng phá hủy và ứng suất kéo giới hạn thấp hơn so với kết quả của họ Do đó, các giá trị này sẽ được đề xuất giảm theo một quy luật nhất định để thể hiện ảnh hưởng của liên kết đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn Để đơn giản hóa việc thay đổi độ cứng kết dính giữa BTXM và BTG, biểu đồ hình 4.4 sẽ được chuyển đổi sang dạng bilinear với diện tích tương đương, từ đó điều chỉnh biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị theo quy luật nhất định và đề xuất các giá trị năng lượng phá hủy tương ứng.
Hình 4.5: Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị dang bilinear đề xuất cho mô phỏng
Bảng 4.4: Giá trị thông số kết dính đề xuất từ biểu đồ hình 4.5
Số TT G f (N/m) K n (MPa mm) σ nn (N/mm 2 )
Phân tích mô phỏng Abaqus
Sau khi hoàn thành việc tính toán các thông số đầu vào, tiến hành thiết lập và phân tích mô phỏng
Mô phỏng Abaqus được thiết lập với mô hình kết cấu sàn, bao gồm các chi tiết sàn S01 và S03 Kết quả phân tích cho thấy kết cấu sàn console bán lắp ghép sử dụng hai loại vật liệu BTXM và BTG có hai dạng ứng xử chính Ứng xử loại 1 xảy ra khi độ bền kết dính giữa BTXM và BTG cao, dẫn đến vết nứt nhỏ tại vị trí liên kết và chiều cao vết nứt thấp, nhưng có thể gây ra vết nứt tại vùng lân cận Ngược lại, ứng xử loại 2 xảy ra khi độ cứng kết dính giữa hai vật liệu này thấp, tạo ra vết nứt lớn tại vị trí liên kết với chiều cao vết nứt vượt quá chiều cao tiết diện sàn, đồng thời làm giảm số lượng vết nứt tại vùng lân cận.
43 a) Ứng xử loại 1 b) Ứng xử loại 2
Hình 4.7: Các dạng phá hủy chủ yếu cấu kết cấu sàn console bán lắp ghép
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
Khảo sát biến dạng tại vị trí liên kết sàn bán lắp ghép
Hình 5.1: Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng tại vị trí liên kết của sàn S01, S02 và S03 bằng thực nghiệm
Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết giữa BTXM – BTXM hiệu quả hơn so với liên kết giữa BTXM – BTG Cụ thể, liên kết BTXM – BTXM bắt đầu hình thành và mở rộng vết nứt ở tải trọng khoảng 6,0 kN, trong khi liên kết BTXM – BTG chỉ bắt đầu nứt ở tải trọng khoảng 4,0 kN Sự chênh lệch này cho thấy mức độ khởi đầu phá hủy của liên kết là 33,3%.
S01 (BTXM - BTG)S02 (BTXM - BTXM)S03 (BTXM - BTG - GCT)
So sánh khả năng chịu tải sàn bán lắp ghép BTXM – BTG và BTXM – BTXM
Khi tăng hàm lượng cốt thép tại vị trí liên kết của sàn bán lắp ghép giữa BTXM và BTG từ 0,47% lên 1,18%, tải trọng gây ra vết nứt đầu tiên của kết cấu sàn tăng lên đáng kể Cụ thể, vết nứt đầu tiên của kết cấu sàn S03 xuất hiện ở giữa gối với tải trọng khoảng 7,5 kN, cao hơn khoảng 25% so với kết cấu sàn bán lắp ghép dùng BTXM – BTXM.
5.2 So sánh khả năng chịu tải sàn bán lắp ghép BTXM – BTG và BTXM – BTXM
Hình 5.2: Biểu đồ a) Quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí đặt tải của sàn S01 và S02 bằng thực nghiệm, b) Quan hệ độ lệch tải trọng giữa sàn S01 và S02
Kết quả thực nghiệm cho thấy sàn console bán lắp S01 và sàn bán lắp ghép S02 có xu hướng làm việc tương đồng trong giai đoạn đàn hồi Độ lệch trung bình được tính toán là 7,8%, cho thấy khả năng chịu uốn của hai loại sàn này tương đối nhỏ và gần như tương đồng Do đó, việc ứng dụng bê tông geopolymer trong chế tạo cấu kiện lắp ghép và bán lắp ghép là khả thi.
Ảnh hưởng của cốt thép gia cường cục bộ tại vị trí liên kết đến khả năng chịu uốn cả sàn bán lắp ghép BTXM – BTG
Hình 5.3: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí đặt tải của sàn S01, S02 và
Kết quả từ biểu đồ hình 5.3 cho thấy rằng, việc tăng hàm lượng cốt thép tại vị trí liên kết của sàn bắn lắp ghép giữa BTXM và BTG đã làm tăng đáng kể giai đoạn làm việc tuyến tính của sàn Cụ thể, sàn bán lắp ghép BTXM – BTG có giai đoạn làm việc tuyến tính từ 0 kN đến 4,0 kN, trong khi sàn bán lắp ghép BTXM – BTG – GCT đạt giai đoạn làm việc tuyến tính từ 0 kN đến khoảng 7,5 kN, cho thấy tải trọng lớn nhất của sàn được cải thiện rõ rệt.
S01 (BTXM - BTG)S02 (BTXM-BTXM)S03 (BTXM - BTG - GCT)
Giai đoạn làm việc tuyến tính tăng thêm 87,5% so với trường hợp không gia cường cốt thép tại vị trí liên kết Sau giai đoạn làm việc đàn hồi, đường cong quan hệ tải trọng – chuyển vị của sàn bán lắp ghép BTXM – BTG – GCT phát triển tốt hơn so với sàn bán lắp ghép BTXM – BTG.
Biểu đồ hình 5.3 cho thấy giai đoạn làm việc đàn hồi của kết cấu sàn bán lắp ghép BTXM – BTG thấp hơn so với BTXM – BTXM Tuy nhiên, khi tăng cường cốt thép tại vị trí liên kết cho sàn BTXM – BTG, khả năng chịu uốn của sàn này cải thiện rõ rệt so với sàn BTXM – BTXM Sau giai đoạn này, kết cấu sàn BTXM – BTG – GCT vẫn thể hiện khả năng chịu uốn tốt hơn Việc ứng dụng bê tông geopolymer vào cấu kiện đúc sẵn là khả thi, giúp khắc phục nhược điểm về khả năng liên kết chịu kéo giữa BTXM – BTG bằng cách tăng cường cốt thép chịu kéo tại vị trí liên kết.
Dự đoán sự phá hủy của cấu kiện sàn bằng mô phỏng Abaqus
Hình 5.4: Phân tách tại vị trí liên kết của sàn S01 theo thực nghiệm và mô phỏng có độ cứng kết dính ứng với ứng suất giới hạn bằng 1,0 (N/mm 2 )
Hình 5.4 cho thấy rằng độ cứng kết dính giữa BTXM và BTG tại ứng suất giới hạn 1,0 (N/mm²) cho kết quả mô phỏng Abaqus về biến dạng hình học gần tương đồng với thực nghiệm.
Biểu đồ hình 5.5 cho thấy mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị tại vị trí LVDT2 của sàn S01 giữa mô phỏng và thực nghiệm có xu hướng tương đồng Độ lệch chuyển vị trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm là 0,14 mm, cho thấy sự khác biệt này là nhỏ so với chuyển vị của đoạn sàn console Kết quả này cho thấy ứng xử ngàm của mô phỏng và thực nghiệm là tương đồng, khẳng định tính khả thi của mô hình Abaqus trong việc dự đoán khả năng chịu uốn của sàn console bán lắp ghép BTXM – BTG.
Mô phỏng Thực nghiệm sàn S01
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12.7 Độ lệch chuyển vị (mm)
Biểu đồ hình 5.6 cho thấy mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị tại vị trí LVDT2 của sàn S03, với kết quả mô phỏng và thực nghiệm ở giai đoạn đầu gần như tương đồng Đặc biệt, độ lệch chuyển vị trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm chỉ là 0,12 mm, cho thấy độ chính xác cao Kết quả này cho phép khẳng định rằng ứng xử ngàm của mô phỏng và thực nghiệm là tương đồng, đồng thời xác nhận tính khả thi của mô hình Abaqus trong việc dự đoán khả năng chịu uốn của sàn console bán lắp ghép BTXM – BTG – GCT.
Mô phỏng Thực nghiệm sàn S03
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Độ lệch chuyển vị (mm)
Hình 5.7: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của sàn S01
Biểu đồ quan hệ tải trọng và chuyển vị tại vị trí tải của sàn S01 cho thấy rằng, khi giảm độ cứng kết dính giữa BTXM và BTG, khả năng chịu uốn của kết cấu sàn giảm theo Mô phỏng với độ cứng kết dính tương ứng ứng suất 1,0 (N/mm²) và 3,78 (N/mm²) cho thấy đường cong tải trọng – chuyển vị có kết quả tương đối hội tụ với thực nghiệm, với độ lệch trung bình tính toán là 4,55% cho ứng suất 1,0 (N/mm²) và 5,28% cho ứng suất 3,78 (N/mm²) Hầu hết các giá trị đường cong tải trọng – chuyển vị mô phỏng với độ cứng 1,0 (N/mm²) đều thấp hơn nghiệm, trong khi đó, các giá trị mô phỏng với độ cứng 3,78 (N/mm²) lại cao hơn so với nghiệm.
Do đó, độ cứng kết dính giữa BTXM – BTG sẽ nằm trong khoảng tương ứng với ứng suất giới hạn 1,0 (N/mm 2 ) và 3,78 (N/mm 2 )
Thực nghiệm S01 σnn=σss=σtt=3,78 σnn=σss=σtt=1,0 σnn=σss=σtt=0,5
Khi tải trọng dưới 4,0 kN, các mô phỏng và thực nghiệm cho thấy kết quả tương đồng, chứng tỏ rằng liên kết giữa BTXM và BTG không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu uốn của cấu kiện sàn bán lắp ghép khi tải trọng nhỏ hơn mức phá hủy của liên kết.
Hình 5.8: Biểu đồ quan hệ tải trọng – chuyển vị của sàn S03
Biểu đồ hình 5.8 cho thấy mô phỏng có độ cứng kết dính ứng với ứng suất giới hạn 1,0 (N/mm²) và 3,78 (N/mm²) cho kết quả tương đồng, không có sự chênh lệch đáng kể Điều này cho thấy rằng việc tăng độ cứng kết dính lên từ 1,0 (N/mm²) ít ảnh hưởng đến ứng xử chịu uốn của cấu kiện sàn so với hàm lượng cốt thép Đối với sàn S01 và S03, mô phỏng với độ cứng kết dính 1,0 (N/mm²) và 3,78 (N/mm²) cho kết quả sát với thực nghiệm nhất, với độ lệch tải trọng trung bình chỉ 6,02% so với thực nghiệm.
Thực nghiệm S03 σnn=σss=σtt=3,78 σnn=σss=σtt=1,0 σnn=σss=σtt=0,5
