Mô phỏng tính toán dự báo tuổi thọ kết cấu cầu, hầm bằng bê tông cốt thép có xét đến tác động đồng thời của tải trọng và môi trường biển báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG MƠ PHỎNG TÍNH TỐN DỰ BÁO TUỔI THỌ KẾT CẤU CẦU, HẦM BẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ XÉT ĐẾN TÁC ĐỘNG ĐỒNG THỜI CỦA TẢI TRỌNG VÀ MÔI TRƢỜNG BIỂN Mã số: T2019-PHII-002 Chủ nhiệm đề tài: ThS Hồ Xuân Ba Thời gian thực hiện: 1/2019-12/2019 Tp Hồ Chí Minh, 12/2019 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH TT Họ tên thành viên Thành phần Đơn vị công tác NCS Hồ Xuân Ba Chủ nhiệm đề tài BM Cầu Hầm Phân hiệu PGS.TS Trần Thế Truyền Tham gia BM Cầu Hầm TS Hoàng Việt Hải Tham gia BM Cầu Hầm MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH ẢNH .v MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHİÊN CỨU TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CƠ CHẾ ĂN MỊN CỐT THÉP TRONG BÊ TƠNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG ĐỒNG THỜI CỦA TẢI TRỌN NÉN VÀ MƠI TRƯỜNG TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 1.1 Các nghiên cứu thực nghiệm thấm ion clorua qua bê tơng ngồi nước .3 1.2 Các nghiên cứu chế tác động đồng thời tải trọng nén tĩnh xâm nhập ion clorua qua bê tơng ngồi nước 19 1.3 Các nghiên cứu tính tốn mơ thấm ion clorua ăn mịn cốt thép bê tơng ngồi nước 23 1.4 Kết luận chương 24 CHƯƠNG 2: NGUN LÝ TÍNH TỐN MƠ PHỎNG THẤM CLORUA QUA BÊ TƠNG CĨ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ DỰ BÁO TUỔİ THỌ CƠNG TRÌNH BÊ TÔNG CỐT THÉP 25 2.1 Mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép thấm clorua qua bê tơng, xét đến ảnh hưởng đồng thời tải trọng môi trường biển sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn 25 2.2 Mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép thấm clorua qua bê tông, xét đến ảnh hưởng đồng thời tải trọng môi trường biển sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 33 2.3 Mơ hình dự báo tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép thấm clorua qua bê tông, xét đến ảnh hưởng đồng thời tải trọng mơi trường biển sử dụng phương pháp giải tích 35 2.4 Kết luận chương 36 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THUẬT TỐN, LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG DỰ BÁO TUỔI THỌ CÁC CƠNG TRÌNH BẰNG BÊ TƠNG CỐT THÉP VÀ ÁP DỤNG MƠ PHỎNG CHO CƠNG TRÌNH THỰC TẾ .37 3.1 Xây dựng chương trình tính tốn Matlab 37 3.2 Áp dụng đánh giá tuổi thọ kết cấu cơng trình cầu hầm theo tiêu chí ăn mịn cốt thép thấm clorua qua bê tơng cho cơng trình cầu cụ thể khu vực ven biển miền Trung .43 i 3.3 So sánh đánh giá kết tính tốn tuổi thọ theo phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn phương pháp giải tích 51 3.4 Kết luận chương 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO .57 ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Chữ viết tắt, kí hiệu AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội Viên chức Đường Vận tải Mỹ) ACI American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ) ASTM American Society for Testing and Materials (Tiêu chuẩn Mỹ Thí nghiệm Vật liệu) BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép C Cát CL Cốt liệu CTH Thí nghiệm trạng thái khơng ổn đính DƯL Dự ứng lực IC Ion clorua (Ion Chloride (E), Ion Chlorure (F)) Cl- EN EuroNorm (Tiêu chuẩn Châu Âu) N/CKD Nước/chất kết dính N/X Nước/xi măng N Nước X Xi măng PTHH Phần tử hữu hạn PGSD Phụ gia sử dụng TTH Trục trung hòa TCN Tiêu chuẩn ngành TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam RCPT Thí nghiệm thấm nhanh ion clorua iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Các hệ số khuếch tán từ thí nghiệm di cư trạng thái ổn định 12 Bảng 1.2: Các giá trị m cho loại bê tông 15 Bảng 3.1: Bảng thông số ban đầu 45 Bảng 3.2: Bảng dự báo tuổi thọ khu vực miền trung (Đà Nẵng) 46 Bảng 3.3: Thông số đầu vào cho chương trình - 47 Bảng 3.4: Kết tính - 49 Bảng 3.5: Thơng số đầu vào cho chương trình - 52 Bảng 3.6: Bảng so sánh kết Life 365 Life UTC - 54 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Một buồng thí nghiệm khuếch tán ion clorua điển hình Hình 1.2 Dữ liệu từ thí nghiệm khuếch tán ion điển hình Hình 1.3 Các trình buồng đo khuếch tán hiệu điện Hình 1.4 Thí nghiệm độ thấm clorua nhanh 10 Hình 1.5 Phương pháp CTH 12 Hình 1.6 Quan hệ tỷ lệ N/X hệ số khuếch tán ion clorua (Stanish, K (2000)) .13 Hình 1.7 Quan hệ mức độ thấm hệ số khuếch tán ion clorua (Ahmad S.( 2003)) 15 Hình 1.8 Quan hệ mức độ thấm hệ số khuếch tán ion clorua 16 Hình 1.9 Quan hệ hệ số khuếch tán cường độ chịu nén bê tơng 17 Hình 1.10 Độ thẩm ion clorua nhanh cấp tải trọng nén trước khác (C Lim (2000)) 20 Hình 1.11 Mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua tương đối trị số phá hủy d bê tông (A Djerbi Tegguer (2013)) .21 Hình 1.12 Mối quan hệ hệ số khuếch tán ion clorua độ lớn ứng suất 21 Hình 1.13 Thấm nhanh ion clorua bê tông tác dụng tải trọng nén trực tiếp .22 Hình 1.14 Bộ thí nghiệm thấm ion clorua bê tơng chịu tải trọng trực tiếp 23 Hình 2.1 Phần tử tam giác tuyến tính phần tử hình chữ nhật song tuyến .27 Hình 2.2 Biên phần tử 28 Hình 2.3 Phần tử hình chữ nhật song tuyến 32 Hình 3.1 Sơ đồ toán khuếch tán chiều 37 Hình 3.2 Giao diện chương trình tính theo phương pháp Phần tử hữu hạn (Life UTC) .39 Hình 3.3 Giao diện chương trình tính theo phương pháp sai phân hữu hạn 41 Hình 3.4 Giao diện chương trình tính theo phương pháp giải tích 42 Hình 3.5 Một phần đường Hồ Chí Minh Quảng Bình bị ngập 43 Hình 3.6 Độ ẩm 12 tháng vịng năm thành phố Đà Nẵng 44 Hình 3.7 Nhiệt độ 12 tháng vòng năm thành phố Đà Nẵng .44 Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình độ khuếch tán Clorua .45 Hình 3.9 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình chiều dày lớp bê tơng bảo vệ 46 Hình 3.10 Chương trình Life UTC 48 v Hình 3.11 Chương trình Sai phân hữu hạn 48 Hình 3.12 Chương trình Giải tích 49 Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình chiều dày lớp bê tông bảo vệ phương pháp 50 Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình chiều dày lớp bê tơng bảo vệ thay đổi độ ẩm 51 Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình chiều dày lớp bê tông bảo vệ thay đổi Muội Silic 51 Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ tuổi thọ cơng trình chiều dày lớp bê tông bảo vệ thay đổi Tỷ lệ ứng suất 52 Hình 3.17 Chương trình Life 365 53 Hình 3.18 Biểu đồ So sánh tuổi thọ cơng trình phần mềm Life 365 Life UTC .54 vi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tuổi thọ sử dụng (service life) kết cấu bê tông cốt thép xâm nhập clorua thời gian từ xây dựng đến ăn mòn (do clorua) gây hư hại cho kết cấu tới mức việc tiếp tục sử dụng kết cấu không cịn an tồn Đối với bê tơng cốt thép ngập nước bị ảnh hưởng nước có chứa ion Cl- ví dụ cơng trình ven biển, ion Cl- xâm nhập vào bê tông thấm qua lớp bê tơng bảo vệ đến vị trí cốt thép Ion clo phản ứng làm lớp bảo vệ thụ động thép, làm ăn mịn cốt thép bê tơng Đánh giá tính tốn dự báo tuổi thọ sử dụng kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép nói chung kết cấu cầu hầm nói riêng theo tiêu chí ăn mịn cốt thép bê tơng thực thơng qua tính tốn giải tích theo định luật thấm Darcy định luật khuếch tán Fick Đây phương pháp tính tốn áp dụng hầu hết nghiên cứu tính tốn ứng dụng giới Bên cạnh đó, nghiên cứu mơ áp dụng để tính tốn tốc độ ăn mòn cốt thép kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép nói chung Ở Việt nam, vấn đề mới; cần thiết phải đặt vấn đề nghiên cứu làm sở cho việc xây dựng chương trình mơ dự báo tuổi thọ sở kết hợp mô hình tính PTHH có sử dụng tham số vật liệu lấy từ thí nghiệm phịng thí nghiệm Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài “mơ tính tốn dự báo tuổı thọ kết cấu cầu, hầm bê tơng cốt thép có xét đến tác động đồng thờı tảı trọng môı trường” cần thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài Xây dựng chương trình tính tốn phần mềm Matlab để mô gia tăng nồng độ clorua bề mặt cốt thép bê tơng có xét đến tác động đồng thời tải trọng môi trường, từ dự đốn tuổi thọ cơng trình cầu, hầm bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Các phận kết cấu công trình cầu hầm bê tơng cốt thép mơi trường biển chịu tác động thấm ion clorua Phạm vi nghiên cứu: Thấm clorua qua bê tông ứng dựng dự báo tuổi thọ sử dụng công trình bê tơng cốt thép có xét đến ảnh hưởng tải trọng tĩnh điều kiện môi trường đồng thời Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan để xác định mục tiêu, đối tượng Xây dựng mơ hình lý thuyết thuật tốn để xây dựng chương trình tính tốn tốc độ ăn mịn cốt thép dự đốn tuổi thọ kết cấu cơng trình cầu bê tơng cốt thép theo tiêu chí ăn mịn cốt thép bê tông Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính tốn mơ phỏng, so sánh với kết thực nghiệm Nội dung đề tài Đề tài cấu trúc thành nội dung sau: Phần mở đầu Chương 1: Tổng quan nghiên cứu tính tốn mơ chế ăn mịn cốt thép bê tơng ăn mịn kết cấu bê tơng cốt thép Chương 2: Ngun lý tính tốn mơ thấm clorua qua bê tơng có xét đến ảnh hưởng tảı trọng dự báo tuổi thọ cơng trình bê tơng cốt thép Chương 3: Lập trình mơ dự báo tuổı thọ cơng trình bê tông cốt thép, áp dụng mô cho công trình thực tế Kết luận kıến nghị Tàı lıệu tham khảo Phụ lục KẾT LUẬN Báo cáo phân tích làm rõ việc xây dựng phần mềm tính toán dự báo tu i thọ sử dụng cầu bê tông cốt thép ven biển Việt Nam xâm nhập ion clorua Phần mềm tích hợp đồng thời mơ đun tính tốn theo tiếp cận khác nhau: Phương pháp phân tử hữu hạn, phương pháp phân hữu hạn phương pháp giải tích Tiếp cận theo phương pháp phần tử hữu hạn cho thấy nhiều ưu điểm o với phương pháp giải tích sai phân hữu hạn; lựa chọn làm tảng cho chương trình tính dự báo tu i thọ kết cấu bê tông cốt thép viết phạm vi đề tài Chương trình đặt tên – Chương trình “Life UTC” 13 PHỤ LỤC THUYẾT MINH ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG 2019 Thuyết minh đề tài khoa học cơng nghệ Phó Hiệu trưởng PGS.TS Nguyễn Duy Việt phê duyệt vào năm 2019