Mô phỏng tính toán sức kháng của dầm bê tông cốt thép có xét đến ăn mòn cốt thép

Kỷ yếu Hội thảo khoa học cấp Trường 2022 Tiểu ban Kỹ thuật xây dựng Mơ Phỏng Tính Tốn Sức Kháng Của Dầm Bê Tơng Cốt Thép Có Xét Đến Ăn Mòn Cốt Thép Võ Văn Nam Phòng Quản trị Cơ sở vật chất Trường Đại học Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam nam.vo@ut.edu.vn Tóm tắt—Ở khu vực ven biển, hạ tầng giao thông sử dụng kết cấu dầm bê tông cốt thép làm việc điều kiện mơi trường với tác nhân ăn mịn cao, tác dụng tải trọng mức độ gỉ cốt thép chịu lực kết cấu dầm trở nên nghiêm trọng, điều dẫn đến suy giảm khả kháng uốn dầm Nội dung báo đề cập đến việc sử dụng phần mềm mơ tính tốn, phân tích q trình thay đổi sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép bị gỉ Đồng thời so sánh với kết phân tích thực nghiệm trình dần khả kháng uốn dầm bị gỉ mơi trường ăn mịn diễn tiến nhanh Từ khóa—Ăn mịn cốt thép, tải trọng, mức độ gỉ, phần mềm mô I GIỚI THIỆU Hạ tầng giao thông vận tải sử dụng kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) Việt Nam làm việc với điều kiện khắc nghiệt môi trường chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn bê tơng cốt thép Đặc biệt, vùng ven biển, khí hậu biển đặc trưng với hàm lượng muối natri clorua (NaCl) có nhiều khơng khí từ gió biển mang vào Việc tiếp xúc liên tục diễn lâu dài với môi trường xâm thực mạnh, với tác dụng tải trọng, dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn Q trình ăn mịn kéo dài dẫn đến lớp bê tông bảo vệ không ngăn xâm nhập tác nhân ăn mòn O2, Cl-, CO2, … tiếp cận công làm gỉ cốt thép Dầm bê tơng cốt thép bị ăn mịn cốt thép suy giảm sức kháng; với mục tiêu làm sáng tỏ vấn đề liên quan đến ảnh hưởng việc giảm khả kháng uốn thuộc cấu kiện dầm BTCT q trình cốt thép bị ăn mịn ảnh hưởng tác nhân gây ăn mòn, nhiều tác giả giới nước triển khai thực nghiệm đặt mẫu nghiên cứu môi trường nhân tạo chứa nhiều tác nhân gây ăn mịn Mơi trường giả lập xem mơi trường thực tế khai thác cấu kiện cần nghiên cứu Trên sở đó, nhóm nghiên cứu tiến hành đo đạc, theo dõi, ghi nhận, phân tích, đánh giá ứng xử mẫu [1]-[4] Với phổ biến công nghệ đại; việc sử dụng phần mềm số để mơ phân tích, so sánh nhằm đưa đánh giá mang tính cụ thể suy giảm khả kháng uốn dầm BTCT cốt thép bị ăn mòn nhiều nhà khoa học ứng dụng triển khai có kết cơng bố rộng rãi Bằng việc đề xuất mơ hình 3D-FE, nhóm tác giả đến từ trường Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển tiến hành đánh giá khả dầm bê tông cốt thép bị ăn mịn mơ hình phần tử hữu hạn (FE), kết nghiên cứu kết luận trình ăn mịn làm thay đổi tiết diện chịu lực cốt thép, giảm lực liên kết bê tông cốt thép qua ảnh hưởng đến sức chịu tải dầm BTCT [5] Tác giả L C Nguyen phân tích mơ cụ thể ảnh hưởng ăn mịn cốt thép đến lực dính bám bê tông cốt thép phần mềm 3D-RBSM, qua đưa kết luận suy giảm khả kháng uốn dầm bê tông cốt thép cốt thép bị ăn mịn [6] Nhóm nghiên cứu đến từ trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh với đề xuất thuật tốn phát triển chương trình tính tốn độc lập nhằm đánh giá hành vi ăn mòn ảnh hưởng đến khả chịu uốn kết cấu bê tông cốt thép [7] Nội dung báo, với việc sữ dụng chương trình ATETA, tác giả tiến hành mơ kết cấu dầm với tác dụng tải trọng điều kiện ăn mòn mức độ khác nhau: 5%, 10%, 15%, 20%, 25%; qua xây dựng đường cong liên quan sức kháng uốn mức độ mát tiết diện cốt thép phần mềm mô Nhằm mục đích kiểm tra, đối sánh với kết thực nghiệm ăn mòn, tác giả tiến hành so sánh đường cong quan hệ ăn mòn sức kháng kết mô với kết đường cong thực nghiệm mức ăn mòn 25% đưa số đánh giá kết luận 150 Võ Văn Nam Q TRÌNH THỰC NGHIỆM MƠI TRƯỜNG ĂN MỊN DIỄN TIẾN NHANH VÀ KẾT QUẢ ĐƯỜNG CONG QUAN HỆ TẢI TRỌNG VÀ CHUYỂN VỊ THỰC NGHIỆM II A Sơ trình thực thí nghiệm thực nghiệm Thực thực nghiệm nhóm mẫu dầm BTCT, tiết diện mặt cắt chữ nhật có kích thước L/h = 500/100 mm Dầm có sử dụng hai cốt thép trịn trơn, có đường kính D = 10 mm Hình.1 Bố trí cốt thép kích thước mẫu dầm [1] Vật liệu sử dụng bê tơng có cường độ 30 MPa, cốt thép có cường độ kéo chảy 560 MPa Hình.2 Gơng dầm tạo ứng suất [1] Hình.3 Mơ hình diễn tiến ăn mịn điện cực 151 Mơ tính tốn sức kháng dầm bê tơng cốt thép có xét đến ăn mịn cốt thép Hình Dụng cụ tạo điều kiện ăn mịn điện Hình Q trình ngâm thực nghiệm ăn mịn mẫu Hình Tiến hành uốn 04 điểm mẫu sau ngâm 30 ngày 152 Võ Văn Nam B Kết thực nghiệm Hình Biểu đồ thực nghiệm mối quan hệ tải trọng chuyển vị MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG QUAN HỆ TẢI TRỌNG VÀ SỨC KHÁNG III A Mơ hình hóa kết cấu Mơ hình tảng phần mềm ATENA đề xuất để mơ hình hóa dầm BTCT giản đơn xét đến ăn mòn cốt thép bên mối quan hệ chúng khả chịu tải dầm BTCT chịu ứng suất Với mơ vậy, cần quan tâm đến đặc tính vật liệu bê tơng thép phù hợp với mẫu dầm thực nghiệm, có xét đến ảnh hưởng đặc tính dính bám bê tơng cốt thép Mơ hình đánh giá hư hỏng cốt thép dầm BTCT trạng thái chảy dẻo, cốt liệu có tính đàn hồi Các tiêu lý thủy văn cấu kiện bê tơng hiệu chỉnh từ kết thí nghiệm thực nghiệm ngâm mẫu dung dịch muối natri clorua (3%÷5%) Để quan sát tượng nứt giảm liên kết gây ăn mòn tải trọng bên ngồi, mơ hình 3D cho chùm chịu uốn 04 điểm điều khiển chuyển vị ăn mịn phân tích Mơ hình chuẩn bị phù hợp với thí nghiệm cho thực nghiệm Dầm dài 500 mm, kích thước mặt cắt ngang 100 x 100 mm Cho gỉ thép mát thơng qua giảm diện tích mặt cắt ngang cốt thép theo mức độ ăn mịn Do đó, đường kính thép 10 mm, 9,7 mm, 9,5 mm, 8,9 mm 8,7 mm tương ứng với mức độ ăn mòn 0%, 5%, 10%, 20% 25% Bề dày lớp bê tông bảo vệ 20 mm Trong mơ hình tác giả khơng bố trí cốt thép kháng cắt, mơ hình phần tử hữu hạn (FE) nhóm nghiên cứu xây dựng cách sử dụng phần mềm ATENA Phân tích thực dạng ba chiều, cách phân chia lưới phần tử với kích thước lưới 30 mm Sử dụng phần tử khối dạng tứ diện lăng trụ cho thép bê tơng, hình Hình Phân chia lưới phần tử Các phận kết nối cách sử dụng liên kết hoàn hảo Để khắc phục vấn đề phụ thuộc vào lưới, thông số độ nhớt µ sử dụng thước đo ổn định số (µ = 0,0001) 153 Hình Mơ hình hóa dầm hình hộp chữ nhật Mơ tính tốn sức kháng dầm bê tơng cốt thép có xét đến ăn mịn cốt thép Hình 12 Mơ hình hóa tải trọng Hình 10 Mơ hình hóa cốt thép B Kết mô Sau thực mô tính tốn tất mẫu có kích thước theo mức độ ăn mòn cốt thép: 0%, 5%, 10%, 20%, 25%, quan hệ tải trọng chuyển vị tương ứng với trường hợp ăn mịn thể hình 13 Kết mơ cho thấy mức độ ăn mịn tăng lên tải trọng tác dụng độ võng tương ứng tăng lên Đồng thời, cốt thép bị ăn mịn dẫn tới diện tích cốt thép tăng lên q trình trương nở thể tích gỉ cốt thép, gây nứt bê tông xung quanh cốt thép làm cho cường độ chịu kéo, mô đun (module) đàn hồi bê tơng giảm xuống Hình 11 Mơ hình hóa liên kết Hình 13 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị tương ứng với trường hợp ăn mòn khác C So sánh đường cong quan hệ tải trọng chuyển vị kết thực nghiệm mô So sánh trường hợp ăn mòn 25% cấp tải trọng 0%  Pmax mô số với thực nghiệm thực Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% cấp trọng 0%  Pmax với thí nghiệm thực tế thể hình 14 154 Võ Văn Nam Hình 14 Biểu đồ quan hệ tải trọng chuyển vị mẫu dầm BTCT ăn mòn 25% cấp trọng 0%  Pmax với thí nghiệm thực tế Qua hình 14 cho thấy tương đối đồng đường biểu diễn xu hướng với độ võng tải trọng xấp xỉ 13 KN 2.5 mm Tại thời điểm này, dầm bắt đầu bị phá hoại khơng thể tiếp tục làm việc bình thường Ta thấy mơ hình phù hợp cho việc áp dụng để xét đến ứng xử cấu kiện BTCT có cốt thép chịu lực bị gỉ Đường cong quan hệ thực tế thực nghiệm mơ số có sai khác định, thực tế bê tơng khơng hồn tồn đồng (vẫn có lỗ rỗng bên trong), ngồi bê tơng thí nghiệm có đặc trưng học khơng hồn tồn giống với mơ hình Mặt khác, thực tế thí nghiệm ăn mịn cốt thép tăng, lực dính bám bê tơng cốt thép bị suy giảm, điều không xét đến mô IV A KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Phần mềm ATENA mơ hình hóa xác trạng thái làm việc dầm giản đơn, giúp xác định sức kháng dầm tác dụng tải trọng có xét đến ăn mịn cốt thép dầm BTCT Thơng qua mơ số kết luận rằng:  Sức kháng uốn dầm BTCT giảm cốt thép dầm bị ăn mòn Nguyên nhân tiết diện chịu lực thép bị ăn mòn suy giảm so với tiết diện thiết kế yêu cầu ban đầu, gây ảnh hưởng đến khả kháng uốn dầm;  Mức độ ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm gia tăng tăng tải trọng trì tác dụng lên dầm; tác dụng tải trọng, vùng chịu kéo dầm xuất nhiều vết nứt, tác nhân gây ăn mịn xâm nhập qua tiếp xúc cốt thép gây ăn mịn Tải trọng tăng độ mở rộng vết nứt tăng lên, điều xúc tiến trình xâm nhập tác nhân gây ăn mịn cốt thép, dẫn đến q trình ăn mịn diễn nhanh B Kiến nghị  Đề xuất thêm nghiên cứu thực nghiệm làm sáng tỏ tác động trình ăn mịn đến tính liên kết bê tơng cốt thép cấu kiện dầm BTCT  Đề xuất kiểm chứng thêm dạng kết cấu BTCT khác, phức tạp hơn, thử nghiệm thực Nếu thử nghiệm cho thấy kết tốt, đề xuất tiêu chuẩn sở cho việc sử dụng mơ hình số nhằm đánh giá dự đốn sức kháng kết cấu BTCT khu vực giáp biển thuộc Thành phố Hồ Chí Minh Đồng sông Cửu Long TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V V Nam, T T Truyen, “Phân tích ảnh hưởng mức độ ăn mịn cốt thép bê tơng đến ứng xử dầm bê tơng cốt thép,” Tạp chí Xây dựng, số tháng 10, tr 62-65, 2021 Availble: http://tapchixaydungbxd.vn/ nghien-cuu-khoa-hoc/phan-tich-anh-huong-cua-mucdo-an-mon-cot-thep-trong-be-tong-den-ung-xu-cuadam-be-tong-cot-thep.html Ngày truy cập: 18/4/2022 [2] V V Nam, “Phân tích ảnh hưởng ứng suất uốn đến mức độ ăn mịn cốt thép cấu kiện dầm bê tơng cốt thép,” Tạp chí khoa học cơng nghệ Giao 155 Mơ tính tốn sức kháng dầm bê tơng cốt thép có xét đến ăn mịn cốt thép thơng vận tải, tập 10, số 4, tr 107-113, 2021 DOI: 10.55228/JTST.10(4).107-113 [3] V V Nam, T D Pham T T Tran “Đánh giá, phân tích thực nghiệm ảnh hưởng ăn mịn cốt thép cấu kiện dầm bê tơng cốt thép đến sức kháng uốn dầm” Kỷ yếu Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XV, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên, Việt Nam, tr 720-730, 2021 [4] V N Anh, “Ăn mòn cốt thép ảnh hưởng tới ứng xử kết cấu bê tông cốt thép,” 2014 Available: http://www.vncold.vn/Web/Content.aspx?distid=3686 Ngày truy cập: 18/4/2022 [5] H Hussain, D Miteva, “Structural behavior of corroded reinforced concrete structures - A study based on detailed 3D FE analyses,” Master dissertation, Department of Architecture and Civil Engineering, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2018 Available: https://pub lications.lib.chalmers.se/records/fulltext/255910/2559 10.pdf Accessed on: 18/4/2022 [6] L C Nguyen, “Nghiên cứu ảnh hưởng tượng ăn mòn cốt thép đến kết cấu bê tơng cốt thép mơ hình 3D-RBSM”, Tạp chí KHKT & MT, số 62, tr 17- 24, 2018 Available: https://vjol.info.vn/index.php /DHTL/article/view/37924 Ngày truy cập: 18/4/2022 [7] T H Nguyen, A T Le, D D Nguyen, “Bending strength diagnosis for corroded reinforced concrete beams with attendance of deterministic, random and fuzzy parameters,” Journal of SI & M 2020; vol 5, isue 3, pp 183-189 DOI:10.1080/24705314.2020 1765268 [8] H Tang, J Peng, L Xiao, X Liu and J Zhang, “Numerical Simulation of Corroded Reinforced Concrete Beam Strengthened by a Steel Plate with Different Strengthening Schemes,” Hindawi Advances in Civil Engineering, 2020 DOI:10.1155/2020/ 4236943 [9] Y Xu, J Shen, Y Zheng, J Mao, P Wu, “Corrosion Characteristics of Reinforced Concrete Under the Coupled Effects of Chloride Ingress and Static Loading: Laboratory Tests and Finite Element Analysis”, Materials Science (Medžiagotyra), vol 24, no 2, 2018 DOI: 10.5755/j01.ms.24.2.17963 156 ... hưởng ứng suất uốn đến mức độ ăn mòn cốt thép cấu kiện dầm bê tơng cốt thép, ” Tạp chí khoa học cơng nghệ Giao 155 Mơ tính tốn sức kháng dầm bê tơng cốt thép có xét đến ăn mịn cốt thép thông vận tải,... định sức kháng dầm tác dụng tải trọng có xét đến ăn mịn cốt thép dầm BTCT Thơng qua mơ số kết luận rằng:  Sức kháng uốn dầm BTCT giảm cốt thép dầm bị ăn mòn Nguyên nhân tiết diện chịu lực thép. .. dầm hình hộp chữ nhật Mơ tính tốn sức kháng dầm bê tơng cốt thép có xét đến ăn mịn cốt thép Hình 12 Mơ hình hóa tải trọng Hình 10 Mơ hình hóa cốt thép B Kết mơ Sau thực mơ tính tốn tất mẫu có