(LUẬN văn THẠC sĩ) mô phỏng dầm bê tông cốt thép xét đến sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi dầm bị phá hoại

TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

Tổng quan chung

1.1 Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế Việt Nam đã thúc đẩy ngành xây dựng gia tăng cả về số lượng và đa dạng loại hình kết cấu Các công trình như nhà cao tầng, nhà nhịp lớp và hệ thanh ngày càng phổ biến tại Việt Nam và trên toàn cầu Hiện nay, kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong xây dựng.

Hiện nay, nhiều tác giả trong và ngoài nước đang nghiên cứu các tiết diện cấu kiện dầm khác nhau như chữ nhật, I, T, tròn và hộp rỗng Đặc biệt, dầm chữ nhật có tiết diện không đổi được sử dụng phổ biến trong các công trình như dầm cầu trục và dầm mái ở nhà cao tầng Do đó, việc mô phỏng và nghiên cứu các giá trị chịu lực của dầm này là rất quan trọng.

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Mô phỏng cấu kiện bê tông cốt thép bằng phần mềm hiện đại ngày càng phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong tính toán và nghiên cứu Việc này không chỉ rút ngắn thời gian tính toán mà còn giảm chi phí so với thực nghiệm Tuy nhiên, sự chênh lệch giữa giá trị mô phỏng, tính toán và thực nghiệm vẫn tồn tại, một phần do chưa xem xét đầy đủ sự bám dính không hoàn toàn giữa bê tông và cốt thép Đề tài này nhằm thể hiện vai trò của sự bám dính này trong mô phỏng, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép.

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài Kiểm tra được kết quả mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật, sử dụng nhiều loại vật liệu bê tông khác nhau như: bê tông thường, bê tông Geopolymer, bê tông xỉ thép… sao cho kết quả bằng phương pháp mô phỏng tiệm cận nhất với thực nghiệm

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng Nghiên cứu:

Dầm bê tông cốt thép dài 3m với kích thước tiết diện 200 x 300 mm được sản xuất từ nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm bê tông cốt thép thường, bê tông Geopolymer và bê tông xỉ thép.

Bài viết này nhằm kiểm tra mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của các cấu kiện dầm bê tông cốt thép thường và bê tông Geopolymer Nghiên cứu sẽ mô phỏng sự bám dính không hoàn toàn giữa bê tông và cốt thép để đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng so với thực nghiệm khi cấu kiện bị phá hoại.

So sánh kết quả mô phỏng với các kết quả tính toán thiết kế và kiểm nghiệm thực nghiệm là bước quan trọng Việc này cho phép đối chiếu với các tiêu chuẩn hiện hành, từ đó đánh giá tính chính xác và hiệu quả của mô hình.

1.5 Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm phân tích và mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép Abaqus để mô phỏng dầm bê tông cốt thép thể hiện sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi cấu kiện bị phá hoại Kết hợp giữa các kết quả lập trình tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm Nghiên cứu đề xuất đưa ra được giải pháp ứng dụng vào công tác học tập cũng như nghiên cứu tại Việt Nam

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Tính thực tiễn của đề tài:

Hiện nay, nhiều tác giả đã nghiên cứu sự phá hoại của bê tông cốt thép, nhưng kết quả mô phỏng thường không chính xác so với tính toán thiết kế và thực nghiệm Đề tài này nhằm làm sáng tỏ vấn đề này bằng cách đánh giá sự bám dính giữa bê tông và cốt thép trên các nền vật liệu khác nhau, góp phần nâng cao tính chính xác trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong tính toán mô phỏng và là tài liệu tham khảo hữu ích cho các đơn vị xây dựng, nhà quản lý cũng như phục vụ cho công tác học tập ở bậc đại học và sau đại học.

Tổng quan về bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép là một vật liệu xây dựng phức hợp, kết hợp giữa bê tông và cốt thép, hai loại vật liệu có đặc tính cơ học khác nhau Sự phối hợp này giúp bê tông cốt thép chịu lực hiệu quả hơn trong các công trình xây dựng.

Bê tông là vật liệu phức hợp được tạo thành từ xi măng, cát, sỏi và nước, trong đó xi măng đóng vai trò là chất kết dính Cường độ chịu kéo của bê tông thấp hơn cường độ chịu nén từ 8 đến 15 lần.

Cốt thép là vật liệu có khả năng chịu kéo và nén tốt, giúp tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Khi sử dụng lượng cốt thép hợp lý trong tiết diện, dầm bê tông cốt thép có thể chịu lực lớn hơn dầm bê tông thông thường đến gần 20 lần.

Bê tông và cốt thép cùng làm việc được với nhau là do:

Bê tông khi đóng rắn sẽ bám chặt vào thép, cho phép lực được truyền từ bê tông sang thép Để khai thác tối đa khả năng chịu lực của thép, cần đảm bảo lực dính giữa hai vật liệu này được duy trì đầy đủ.

+ Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, ngoài ra hệ số giãn nở của cốt thép và bê tông suýt soát bằng nhau:

∝s = 0.000012 ; ∝b =0.000010-0.000015 1.8 Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép

Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép là yếu tố quan trọng, hình thành trong quá trình đông cứng của bê tông Lực này đảm bảo rằng cốt thép không bị tuột ra khỏi bê tông khi chịu lực, góp phần tăng cường độ bền và ổn định cho công trình.

Lực dính bám giữa bê tông và thép rất quan trọng, cho phép truyền lực hiệu quả từ bê tông sang thép và ngược lại Nhờ có lực dính bám, cường độ của cốt thép được khai thác tối đa, đồng thời hạn chế bề rộng vết nứt trong vùng kéo Do đó, việc tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép là cần thiết để nâng cao hiệu suất công trình.

Bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học tiêu cực nào, giúp bảo vệ từng loại vật liệu Cốt thép được đặt bên trong bê tông, nhờ đó được bảo vệ khỏi sự ăn mòn do tác động của môi trường.

Bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt tương đương, vì vậy sự thay đổi nhiệt độ thông thường dưới 100°C không ảnh hưởng đến sự liên kết giữa chúng.

1.9 Tính chất cơ lý của bê tông cốt thép

Các tính chất cơ lý của bê tông cốt thép được tham khảo TCXDVN 5574:2012

“Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép” [15-16]

Cấp độ bền của bê tông là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, bao gồm chỉ tiêu chất lượng về khả năng chịu nén B và khả năng chịu kéo của bê tông.

Bê tông có các đặc trưng tiêu chuẩn và tính toán quan trọng, bao gồm cường độ khi nén dọc trục mẫu lăng trụ (cường độ lăng trụ Rbn) và cường độ khi kéo dọc trục (Rbtn) Những chỉ số này đóng vai trò then chốt trong việc đánh giá khả năng chịu lực và độ bền của bê tông trong xây dựng.

Cường độ tính toán của bê tông được xác định theo các trạng thái giới hạn thứ nhất và thứ hai bằng cách chia cường độ tiêu chuẩn cho hệ số độ tin cậy tương ứng khi nén (γbc) và khi kéo (γbt) Bảng 1 cung cấp các giá trị của hệ số γbc và γbt cho một số loại bê tông khác nhau.

Bảng 1.1: Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khí nén  bc và kéo  bt [16]

Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi nén dọc trục Rbn phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén của bê tông, trong khi cường độ tiêu chuẩn khi kéo dọc trục Rbtn được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 1.2: Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông nặng và cường độ tính toán [16]

Các cường độ tính toán của bê tông như Rb, Rbt, Rb,ser và Rbt,ser (đã làm tròn) phụ thuộc vào cấp độ bền chịu nén và kéo dọc trục của bê tông, được quy định trong bảng 3 cho các trạng thái giới hạn thứ nhất và bảng 2 cho các trạng thái giới hạn thứ hai.

Bảng 1.3: Các cường độ tính toán của bê tông khi tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất (MPa) [16]

Biến dạng đàn hồi của bê tông Khi chịu nén môđun đàn hồi ban đầu của bê tông Eb được định nghĩa theo biểu thức sau:

∝o - góc lập bởi tiếp tuyến tại gốc của biểu đồ σ - 𝜀 với trục 𝜀 (hình 3) Giá trị của Eb phụ thuộc cấp độ bền và loại bê tông cho trong bảng 4

Hình 1.1: Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông [16]

Hệ số nở ngang (hệ số poission) của bê tông μb lấy bằng 0,2 Môđun chống cắt của bê tông Gb = 0,4Eb

Bảng 1.4: Môđun đàn hồi của bê tông nặng ở điều kiện đông cứng tự nhiên [16]

1.10 Ưu điểm của bê tông cốt thép Kết cấu bê tông cốt thép (cũng như kết cấu bê tông) được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau:

Bê tông có giá thành thấp nhờ vào việc sử dụng các vật liệu sẵn có như đá, sỏi và cát Mặc dù xi măng và thép là những thành phần đắt tiền hơn, nhưng chúng chỉ chiếm khoảng 1/6 đến 1/5 tổng khối lượng của bê tông.

Bê tông cốt thép có khả năng chịu lực vượt trội so với các vật liệu xây dựng tự nhiên như gạch, đá và gỗ Là một vật liệu nhân tạo, bê tông cốt thép cho phép lựa chọn và điều chỉnh các tính năng theo yêu cầu, mang lại hiệu suất cao trong xây dựng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ chế liên kết của bê tông và cốt thép

Liên kết giữa cốt thép và bê tông là sự tương tác quan trọng, ảnh hưởng đến cơ chế hoạt động của cấu trúc bê tông cốt thép Chiều rộng và khoảng cách của các vết nứt ngang trong bê tông phụ thuộc vào lực liên kết tối đa giữa cốt thép và bê tông.

Hình 2.1: Cơ chế sự di chuyển của các lực liên kết [16]

 Liên kết trong bê tông cốt thép có được thông qua ba cơ chế

2.1.1 Liên kết dựa trên các thành phần hóa học Lực bám dính là kết quả từ sự kết dính của lớp xi măng xung quanh các thanh thép của cấu kiện dầm, trong đó bao gồm sự tương tác của các hạt xi măng nhỏ Các hạt xi măng với thành phần hóa học có tính kết dính làm nhiệm vụ liên kết các vật liệu trong bê tông qua đó giúp cho bê tông và cốt thép liên kết với nhau

2.1.2 Lực ma sát tạo liên kết

Ma sát giữa bê tông và cốt thép là lực chống lại sự trượt, chịu ảnh hưởng bởi lực nén vuông góc và độ nhám bề mặt tiếp xúc Trong các cấu trúc bê tông cốt thép, lực ma sát có thể phát sinh từ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, lực nén bên ngoài hoặc lực kẹp do thép gia cường Liên kết giữa cốt thép và bê tông được hình thành khi cốt thép tạo thành khung xương vững chắc, với cốt thép chịu kéo và bê tông chịu nén, giúp cấu kiện chịu được lực lớn hơn khi làm việc độc lập Diện tích bề mặt tiếp xúc lớn hơn sẽ tạo ra liên kết bền vững hơn.

Các cơ chế ảnh hưởng đến khả năng liên kết giữa bê tông và cốt thép bao gồm lực bám dính và lực ma sát, đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sự trượt giữa hai vật liệu này Khi cấu kiện dầm bị phá hủy, hiện tượng trượt giữa bê tông và cốt thép xảy ra liên quan chặt chẽ đến lực bám dính và lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa chúng.

Mô hình của bê tông

Các mô hình thể hiện hành vi chịu kéo - nén của bê tông được quy định trong nhiều tiêu chuẩn xây dựng toàn cầu Những mô hình này mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong các cấu kiện bê tông.

Mô hình Hsu – 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 phần mềm Abaqus, dựa trên cường độ chịu nén dọc trục và chịu kéo dọc trục để thể hiện đặc tính của bê tông Từ đó, hai đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo và chịu nén được đưa ra nhằm mô tả tính chất của bê tông trong quá trình làm việc.

Mô hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông

Mô hình số Hsu-Hsu (1994) về ứng xử chịu kéo của bê tông đã được Nayal và Rasheed (2006) sửa đổi và phát triển, cho phép tính toán hiệu quả trong phần mềm Abaqus Chúng tôi áp dụng mô hình này để phân tích ứng xử chịu kéo của bê tông, với việc hình thành cường độ chịu kéo dựa trên quan hệ ứng suất biến dạng đẳng hướng Mô hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép theo Hsu-Hsu (1994) được minh họa trong hình 3, trong khi mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi bởi Nayal và Rasheed (2006) tương thích với Abaqus được thể hiện trong hình 2.2.

Hình 2.2 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006) [19]

Việc sửa đổi mô hình độ cứng chịu kéo theo Nayal và Rasheed (2006) là cần thiết khi biến dạng lớn nhất (ɛcr) đạt 0.8x(σt0), vì phần mềm Abaqus sẽ báo lỗi tại điểm này Do đó, cần điều chỉnh giá trị ứng suất biến dạng tại vị trí đạt đến giá trị biến dạng cực hạn để đảm bảo tính chính xác trong phân tích.

(125 x ɛcr,0.77 x σt0), và (ɛcr, σt0) để tránh tình trạng báo lỗi khi chạy phần mềm Abaqus như hình 2.3

Hình 2.3 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus [19]

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), cho phép phát triển quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông đến cường độ nén 1 trục phá hủy ở mức 0.3 × σ cu Mô hình này có khả năng tính toán cường độ chịu nén của bê tông với cấp độ khoảng 60Mpa, và đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng Hsu – Hsu được minh họa qua hình 2.4.

Hình 2.4 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu [18]

Trong hình 2.7, cường độ chịu nén cực hạn tại (σ0c) và (ɛ0) và biến dạng tương ứng (ɛd) thì (0.3 x σt0) Miền đàn hồi nằm trong khoảng 50% cường độ chịu nén cực hạn

Mô hình phương pháp Hsu – Hsu tính toán cường độ chịu nén từ (0.5 x σ0c) đến (0.3 x σ0c) Đường cong ứng suất – biến dạng theo Hsu – Hsu thỏa mãn phương trình (2)

- Hệ số phụ thuộc vào hình dạng đường cong ứng suất - biến dạng

- Hệ số modul – đàn hồi

 d : Được xác định tại vị trí ứng suất  0.3  c0 được tính toán thông số dựa vào  c  0.8  cu 

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).

Hình 2.5 – Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép [18]

Trong tính toán cốt thép, vật liệu này được xem là lý tưởng với tính đàn dẻo, do đó giai đoạn tái bền và mềm hóa thường bị bỏ qua Trong kết cấu bê tông cốt thép (BTCT), cốt thép thường ở dạng thanh hoặc lưới, nên không cần xem xét ứng xử ba chiều Để đơn giản hóa quá trình tính toán, mô hình vật liệu của cốt thép được áp dụng dựa trên mối quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.

Hiện tại, 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.

Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL)

Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được xây dựng dựa trên đường cong ứng suất – biến dạng của thép, như thể hiện trong hình 2.6 Đường cong này được xác định từ các thông số quan trọng của thép, bao gồm Modul đàn hồi Es và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn fy.

Hình 2.6: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL) [18]

Mô hình bám dính được xây dựng dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép, như thể hiện trong hình 2.7 Từ mô hình này, có thể xác định các thông số quan trọng như lực kéo lớn nhất t n max và năng lượng phá hủy G IC, được tính bằng diện tích vùng phá hủy.

Hình 2.7: Lực kéo tuột của thép và bê tông Geopolymer [20]

2.6 Tổng quan về ABAQUS Hiện nay ABAQUS [21] là một bộ phần mền lớn dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề môn phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), cần có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

ABAQUS bao gồm hai khối phân tích chính là ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit, cùng với hai khối phân tích phụ đặc biệt là ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design Để tương tác với người dùng, ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Environment) đảm nhiệm vai trò tiền xử lý, bao gồm việc thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, cũng như phân chia mạng lưới.

ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả.

Tổng quan về ABAQUS

ABAQUS bao gồm hai khối phân tích chính là ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit, cùng với hai khối phân tích phụ đặc biệt là ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design Để tương tác với người dùng, ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Environment) đóng vai trò quan trọng trong việc tiền xử lý, bao gồm thiết lập mô hình, gán đặc tính, điều kiện biên và phân chia mạng lưới.

ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả.

THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

Thông số tính toán cho mô hình

3.1.1 Mô hình vật liệu bê tông

Kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén từ các tài liệu tham khảo trước đây đã được áp dụng để tính toán các thông số của mô hình vật liệu bê tông trong chương 2 Các thông số đặc trưng của bê tông, bao gồm modul đàn hồi Ec, hệ số Poisson Ʋc, cường độ chịu nén fc, và cường độ chịu kéo ft, được trình bày trong bảng 3.1 cho ba loại vật liệu: bê tông thường (RCB), bê tông xỉ (SRCB), và bê tông Geopolymer (GRCB).

Bảng 3.1: Thông số đặc trưng của các loại bê tông

Dựa trên các thông số đặc trưng của bê tông thường, bê tông xỉ và bê tông Geopolymer, có thể xác định các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông Hai mô hình số vật liệu bê tông đã được phát triển bởi Hsu – Hsu vào năm 1994, cung cấp cơ sở để tính toán các thông số này một cách chính xác.

Mô hình Hsu – Hsu bao gồm hai thông số chính liên quan đến đường cong chịu nén và chịu kéo của ba loại bê tông, được thể hiện trong bảng 3.2 và bảng 3.3 Mô hình này được áp dụng trong môi trường Abaqus bằng cách nhập các giá trị chịu kéo f t và chịu nén f c, như đã trình bày ở mục 2.2.1.

Bảng 3.2: 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

Mô hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất

Bảng 3.3: 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 RCB

Mô hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất ( ) e

3.1.2 Mô hình vật liệu thép

Trong đề tài này, các thông số tính toán đặc trưng của thép AIII bao gồm modul đàn hồi Ec, hệ số Poisson Ʋc, cường độ chịu kéo fy và cường độ chịu nén fu được trình bày chi tiết trong bảng 3.4.

Bảng 3.4: Thông số đặc trưng của cốt thép [3]

Dựa vào thông số đặc trưng của cốt thép trong bảng 4.6, chúng ta có thể tiến hành tính toán các thông số cần thiết để đưa vào mô hình Trong nghiên cứu này, có hai loại mô hình được sử dụng để mô tả vật liệu cốt thép, bao gồm mô hình SEPL và mô hình IEPL.

3.1.2.1 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 Es, hệ số Poisson ʋs và cường độ chịu kéo f y.

Bảng 3.5: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL [3]

3.1.2.2 Thông số mô hình IEPL

Trong mô hình vật liệu IEPL, tính chất của cốt thép được thể hiện qua mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, tương tự như trong mô hình SEPL Các thông số quan trọng trong mô hình này bao gồm modul đàn hồi, đóng vai trò then chốt trong việc xác định đặc tính cơ học của vật liệu.

Es, hệ số poission Ʋs, cường độ chịu kéo fy, cường độ chịu nén fu, biến dạng chịu kéo cực hạn Ɛu

Bảng 3.6: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL [3]

3.1.3 Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử

3.1.3.1 Loại phần tử mô phỏng

Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần mền Abaqus [20] được sử dụng để rời rạc mô hình Phần tử C3D8R là dạng khối 3 chiều,

8 nút tuyến tính được gán cho cho các phần tử bê tông thường, bê tông xỉ, bê tông Geolymer và cốt thép chịu lực trong mô phỏng tính toán

Các thanh cốt thép đai có thể được mô hình hóa bằng mô hình dạng khối, dạng dầm hoặc dạng thanh và sử dụng phần tử T3D2

Bảng 3.7: Loại phần tử mô phỏng dầm [20]

3.1.3.2 Thông số mô hình phá hoại dẻo

Trong mô phỏng theo mô hình phá hoại dẻo, các thông số để mô tả tính chất của vật liệu bê tông và vật liệu cốt thép là rất quan trọng Mô hình này cần phải có các thông số dẻo, và những thông số này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.

Bảng 3.8: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình [3]

3.2 Các bước mô hình hóa thí nghiệm kéo tuột trên phần mền ABAQUS

Mô phỏng thí nghiệm kéo tuột trên phần mềm Abaqus nhằm xác định các giá trị lực kéo lớn nhất, năng lượng phá hoại và hệ số độ nhớt của bê tông Geopolymer Các thông số này sẽ được áp dụng trong việc mô phỏng dầm bê tông Geopolymer, đặc biệt chú trọng đến liên kết không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi dầm gặp phải hiện tượng phá hoại.

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

3.2.1.1 Cấu kiện mẫu bê tông hình trụ

Để xây dựng cấu kiện, hãy sử dụng công cụ biểu tượng "Create Part" Khi đó, cửa sổ "Create Part" sẽ xuất hiện, cho phép bạn đặt tên cho cấu kiện trong mục "Name" Tiếp theo, chọn "Modeling Space" để sử dụng đối tượng mô phỏng 3D và xác định "Type" là phần tử deformable Cuối cùng, trong mục "Base Feature", bạn nên chọn dạng Solid và loại Extrusion, nhằm đạt được cấu hình phần tử mong muốn.

Hình 3.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus

Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create circle) để vẽ đường kính của mẫu thử bằng 0.15 (m) như hình 3.2

Hình 3.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông

Sau khi hoàn thành việc vẽ đường kính mẫu bê tông, khu vực thông báo sẽ hiển thị như hình 3.3 Tiếp theo, nhấn nút "Done" để mở cửa sổ "Edit Base Extrusion", thiết lập chiều cao (Depth) cho mẫu bê tông hình trụ, sau đó nhấn "OK" để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ.

Mô hình dầm bê tông sau khi hoàn thành như hình 3.4

Hình 3.3: Cửa số Edit Base Extrusion

Hình 3.4: Mô hình ba chiều của mẫu bê tông hình trụ

3.2.1.1.2 Đục lỗ cấu kiện Đục lỗ cấu kiện bờ tụng sẽ tương ứng với 3 loại thộp là ỉ12, ỉ16, ỉ20 mà thớ nghiệm kéo tuột đã được nêu ở trên

Sử dụng công cụ "Create cut: extrude" để tạo lỗ trên mẫu bê tông, chọn mặt cần cắt và đảm bảo tiết diện cùng đường kính lỗ đục phù hợp với loại thép trong mô hình mô phỏng.

Hình 3.5: giao diện 2D của vị trí đục lỗ

Sau khi hoàn thành việc khởi tạo mô hình hai chiều, bạn hãy nhấn nút "Done" trong vùng thông báo và chọn “Through all/ok” Kết quả sẽ là mô hình ba dầm bê tông đục lỗ hoàn chỉnh như hình minh họa.

Hình 3.6: Mô hình hình học ba chiều của mẫu bê tông sau khi đục lỗ 3.2.1.2 Cấu kiện thép chịu lực trong thí nghiệm kéo tuột

Cấu kiện thép chịu lực trong mô phỏng thí nghiệm kéo tuột cũng tương ứng với 3 loại thộp ỉ12, ỉ16, ỉ20 mà thớ nghiệm đó thực hiện

Để xây dựng cấu kiện, người dùng cần truy cập vào vùng công cụ sử dụng biểu tượng "Create Part" Sau khi nhấn vào biểu tượng, cửa sổ "Create Part" sẽ hiện ra, cho phép người dùng đặt tên cho cấu kiện trong mục Name Tiếp theo, chọn Modeling Space để sử dụng đối tượng mô phỏng 3D và xác định Type là phần tử deformable Cuối cùng, trong mục Base Feature, người dùng nên chọn dạng Solid với loại Extrusion để xấp xỉ phần tử 3.

Hình 3.7: Cửa sổ Create Part trong Abaqus

Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create circle) để vẽ đường kính thép chịu lực như hình 3.8

Hình 3.8: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện thép chịu lực

Sau khi hoàn tất việc vẽ đường kính thép, vùng thông báo sẽ hiển thị như hình 3.9 Tiếp theo, nhấn nút "Done" để mở cửa sổ "Edit Base Extrusion" và thiết lập chiều cao (Depth) cho mẫu bê tông hình trụ Cuối cùng, nhấn "OK" để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ Mô hình dầm bê tông hoàn thiện sẽ hiển thị như hình 3.10.

Hình 3.9: Cửa số Edit Base Extrusion

Hình 3.10: Mô hình ba chiều của thép chịu lực

3.2.1.3 Cấu kiện tấm thép đệm

Xây dựng cấu kiện và đục lỗ cấu kiện tương tự mẫu bê tông sau khi thực hiện xong tấm thép đệm sẽ có dạng như hình 3.11

Hình 3.11: cấu kiện tấm thép đệm 3.2.2 Định nghĩa vật liệu và gán đặc trưng vật liệu cho các cấu kiện

Các bước mô hình hóa dầm bê tông trên phần mền ABAQUS

Trong nghiên cứu này, dầm bê tông cốt thép được phân tích và mô phỏng với ba loại vật liệu khác nhau, bao gồm bê tông thường, bê tông xỉ và bê tông Geopolymer.

Phương pháp mô phỏng cũng có ba hình thức khác nhau gồm:

- Trường hợp 1: Thép chịu lực là “Solid”, ràng buộc giữa bê tông cốt thép có đề cập tới “Viscosity”

- Trường hợp 2: Thép chịu lực là “Solid”, Cốt thép được “Tie” vào bê tông

- Trường hợp 3: Thép chịu lực là “Wire”, Cốt thép “Embedded” vào bê tông

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

3.3.1.1 Cấu kiện dầm bê tông

Để xây dựng cấu kiện, người dùng cần sử dụng công cụ "Create Part", sau đó cửa sổ Create Part sẽ hiện ra Trong cửa sổ này, người dùng có thể đặt tên cho cấu kiện tại mục Name, chọn Modeling Space để sử dụng đối tượng mô phỏng 3D, xác định Type là phần tử deformable, và trong mục Base Feature, chọn dạng Solid với loại Extrusion, tương ứng với phần tử 3.

Hình 3.35: Cửa sổ Create Part trong Abaqus

Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, hãy nhấn vào biểu tượng "Tạo đường thẳng nối" trên thanh công cụ Tiếp theo, vùng thông báo sẽ hiển thị yêu cầu "Chọn điểm bắt đầu của đường thẳng hoặc nhập tọa độ X Y".

Khi bắt đầu vẽ đường thẳng trên màn hình đồ họa, vùng thông báo sẽ hiển thị “Chọn điểm kết thúc của đường thẳng hoặc nhập tọa độ X Y” Sau khi chọn điểm đầu, một đường thẳng liên tục sẽ xuất hiện Tiếp theo, bạn cần nhập tọa độ cho điểm kết thúc để hoàn thành mặt cắt dọc dầm, như minh họa trong hình 3.36 Cuối cùng, nhấn phím Esc trên bàn phím để kết thúc lệnh vẽ.

Hình 3.36: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông

Sau khi thiết lập được mô hình hình học hai chiều cấu kiện Sử dụng lệnh Add

Dimension trên vùng công cụ tiến hành đo kiểm tra kích thước dầm như hình 3.37

Hình 3.37: 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 3.38 Người dùng cần nhấn nút "Done" để mở cửa sổ "Edit Base Extrusion" nhằm thiết lập chiều cao (Depth) của dầm Sau khi xác nhận, nhấn "OK" để thoát khỏi cửa sổ Mô hình dầm bê tông hoàn chỉnh sẽ được hiển thị như hình 3.39.

Hình 3.38: Cửa số Edit Base Extrusion

Hình 3.39: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông

3.3.1.2 Cấu kiện tấm đệm thép

Xây dựng cấu kiện 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 hoàn tất quá trình này, giao diện sẽ hiển thị như hình 3.40.

Hình 3.40: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép

Việc khởi tạo cấu kiện ba chiều cho đệm thép tương tự như quá trình thực hiện đối với dầm bê tông Sau khi hoàn tất, hình ảnh minh họa sẽ xuất hiện như trong hình 3.41.

Hình 3.41: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép

3.3.1.3 Cấu kiện cốt thép đai

Trên thanh công cụ, hãy chọn biểu tượng "Create Part" để mở cửa sổ "Create Part" Tại đây, bạn cần đặt tên cho cấu kiện trong mục "Name", chọn "Modeling Space" để sử dụng đối tượng mô phỏng 3D, xác định "Type" là phần tử deformable, và trong mục "Base Feature", hãy chọn dạng "Wire" với loại "Planar".

Để vẽ hình hai chiều, đầu tiên bạn cần khởi động giao diện vẽ đồ họa Các bước thực hiện sẽ tương tự như đối với cấu kiện dầm Sau khi hoàn tất việc khởi tạo hình vẽ hai chiều, hãy tiến hành đo kích thước và kiểm tra theo hình 3.42.

Hình 3.42: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai

Sau khi hoàn tất việc tạo mô hình hai chiều, nhấn nút "Done" trên vùng thông báo để chuyển sang mô hình ba chiều Kết quả là mô hình ba chiều của vòng thép đai sẽ hiển thị như hình 3.43.

Hình 3.43: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai

3.3.1.4 Cấu kiện cốt thép dọc chịu lực

Cấu kiện tấm thép đệm ở gối và tấm thép đệm lực khởi tạo được xây dựng tương tự như cấu kiện dầm bê tông Đối với bê tông Geopolymer và bê tông xỉ, cấu kiện thường sử dụng thép đường kính 14mm, trong khi đó, bờ tụng thường áp dụng thép đường kính 16mm.

Khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều cho phép người dùng tạo hình ảnh tương tự như thiết kế dầm bê tông Sau khi quá trình khởi tạo hoàn tất, giao diện sẽ hiển thị như hình 3.44.

Hình 3.44: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc

Sau khi hoàn thành việc khởi tạo mô hình hai chiều, bạn hãy nhấn nút "Done" trên vùng thông báo để chuyển sang mô hình ba chiều Kết quả là mô hình ba chiều thép dọc chịu lực sẽ được hiển thị như hình 3.45.

Hình 3.45: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc

3.3.1.5 Đục lỗ dầm bê tông

Trên vùng công cụ, sử dụng biểu tượng "Create cut: extrude" để chọn mặt cần cắt, nhằm đục lỗ trên bê tông theo tiết diện và số lượng thanh thép dọc chịu lực Đối với vùng đục lỗ tương ứng với cốt thép chịu kéo của bê tông Geopolymer và bờ tụng Xỉ thộp, đường kính lỗ cần đục là 14mm, trong khi đối với bờ tụng thường, đường kính lỗ là 16mm.

Hình 3.46: giao diện 2D của vị trí đục lỗ

Sau khi hoàn thành việc khởi tạo mô hình hai chiều, bạn nhấn nút "Done" trong vùng thông báo và chọn "Through all/ok" Kết quả là mô hình ba dầm bê tông đục lỗ sẽ được hiển thị như hình 3.47.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP