Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng ứng xử của kết cấu tường bê tông đất chịu tác dụng của tải trọng ngoài mặt phẳng

Nghiên cứu này đầu tiên sẽ tiến hành bằng phương pháp thực nghiệm nhằm xác định ứng xử của kết cấu tường bê tông đất chịu tác dụng của tải trọng ngoài mặt phẳng. Đồng thời, một nghiên cứu mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) cũng được thực hiện. Kết quả mô phỏng được đối chiếu với kết quả thực nghiệm nhằm xác minh sự phù hợp của mô hình.

KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU TƯỜNG BÊ TƠNG ĐẤT CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGỒI MẶT PHẲNG EXPERIMENTAL STUDY AND SIMULATION OF BEHAVIOR OF SOIL CONCRETE WALL STRUCTURES UNDER THE ACTION OF OUT-OFPLANE LOADS TRẦN ĐỨC CƯỜNG Học viên cao học, khoa kỹ thuật xây dựng, Trường đại học Giao thông vận tải Ban quản lý khu vực phát triển đô thị Bắc Ninh TS BÙI THỊ LOAN Khoa kỹ thuật xây dựng, Trường đại học Giao thông vận tải *Tác giả liên hệ, email: buithiloan@utc.edu.vn Tóm tắt: Gần đây, kết cấu xây dựng dựa đất với nhiều ưu điểm liên quan tới vấn đề môi trường lượng ngày quan tâm Nghiên cứu tập trung vào ứng xử học kết cấu tường bê tông đất chịu tác dụng tải trọng mặt phẳng Nghiên cứu thực từ thực nghiệm tới mô Ở phần thực nghiệm, kết cấu tường có kích thước 1m x 1m x 0,3m đúc toàn khối ván khn bảo dưỡng điều kiện bình thường thí nghiệm xác định ứng xử chịu uốn ngồi mặt phẳng Kết kết cấu tường bê tơng đất có ứng xử giịn pha tuyến tính với đỉnh đường cong tương ứng với phá hủy đột ngột tường Phần mô thực phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm ANSYS Kết mô đối chiếu với kết thí nghiệm cho thấy phù hợp mơ hình số Từ khóa: Tường bê tơng đất, ứng xử ngồi mặt phẳng, nghiên cứu thực nghiệm, mô số Abstract: This study focuses on the mechanical behavior of earth-concrete wall subjected to out-of plane loading This study is performed both by experimental and numerical approaches In the experimental part, a wall made by a new ecological earth-concrete material with the dimension of 1mx1mx0.3m was test under out-of plane loading It was found that the wall behaves in a brittle behavior and failure occured by a sudden collapse The experimental results were then compared to that predicted using the finit element approach in ANSYS software to confirm the suitability of the model used Keywords: Earth concrete wall, out-of plane behavior, simulation 20 experimental approach, numerical Đặt vấn đề Đất đất "thô" - sử dụng làm vật liệu xây dựng hàng nghìn năm quy mơ tồn cầu ngày sử dụng rộng rãi Nó tạo đa dạng đáng ngạc nhiên kỹ thuật xây dựng bao gồm: phên liếp trát bùn đất, đất trộn rơm, gạch bùn (adobe) khối đất đá nén (CEB), đất nện (RE) Hiện gần 50% dân số giới sống nhà làm từ đất [1] Vật liệu xây dựng đất mang lại lợi mơi trường đáng kể Việc tái chế khơng giới hạn thường thực công trường, nên tiết kiệm chi phí vận chuyển hạn chế tác động tới mơi trường Ngồi đặc tính không độc hại không gây ô nhiễm, đất thô cịn có khả hấp phụ lớn hợp chất dễ bay hơi, nhờ thành phần có chứa hạt sét Các tòa nhà làm từ đất đưa vào vận hành có chế độ nhiệt ẩm tốt nhờ tính dẫn nhiệt tương đối thấp, nhiệt lượng lớn "khả trao đổi" mạnh (có khả vận chuyển nước cách dễ dàng) [10] Với gia tăng nhận thức vấn đề môi trường lượng, việc sử dụng vật liệu xây dựng từ đất thô thu hút quan tâm khơng có đáng ngạc nhiên Tuy nhiên, vấn đề phải đối mặt với thách thức lớn, nhiều số việc sử dụng vật liệu loại hạn chế lĩnh vực xây dựng đại [11] Hạn chế nhược điểm cố hữu đất đặc tính ổn định nước đặc trưng lý thấp, tiếp đến kỹ thuật xây dựng từ vật liệu đất không đại (thủ công thời gian) Để giải đồng thời hạn chế đó, gần có số nghiên cứu ([2,3,4,5,6,7,9]) Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG đề xuất loại vật liệu lai đất bê tơng trọng ngồi mặt phẳng Đồng thời, nghiên cứu “bê tơng đất” mô số phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thực Kết mô Loại “bê tơng đất” có thành phần đối chiếu với kết thực nghiệm nhằm xác gồm cốt liệu (cốt liệu lớn, cốt liệu nhỏ), “đất thô”, nước, phụ gia lượng nhỏ xi măng Porland minh phù hợp mơ hình để “ổn định” đất (chỉ khoảng 4-5% thay 15% Nghiên cứu thực nghiệm bê tông thông thường) để cải thiện đặc 2.1 Vật liệu bê tông đất tính lý [9] Vật liệu vừa có ưu Thành phần loại bê tơng đất dùng điểm giống đất thô lượng tiêu thụ nghiên cứu bao gồm: thấp ứng xử nhiệt-ẩm tốt, đồng thời vừa có “Đất thơ” phế thải từ việc rửa cốt liệu ưu điểm giống bê tông thông thường nên - cường độ, độ bền khả chống xói mịn tốt mỏ đá Lương Sơn, Hịa Bình, Việt Nam nhiều so với đất thô đặc biệt ứng Thành phần khống loại đất dụng công nghệ thi công đại bê tông CaCO3; truyền thống giúp đẩy nhanh thời gian thi cơng (có - thể trộn máy thi công khối lớn ván 19mm, thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM C33; khuôn cho phép tháo ván khuôn sớm) [9] Tuy - nhiên, nghiên cứu vật liệu 2,63; thỏa mãn tiêu chuẩn ASTM C33; nghiên cứu ứng xử kết cấu sử - dụng vật liệu này, đặc biệt ứng xử ngồi mặt Cốt liệu thơ đá dăm với đường kính cỡ hạt lớn Cốt liệu mịn cát tự nhiên với mô đun độ lớn Xi măng Pooc Lăng Bút Sơn PC40, thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 2682:2009; phẳng cịn cần thiết thực - Phụ gia siêu dẻo Sika NN Nghiên cứu tiến hành Tỷ lệ phối trộn vật liệu thành phần loại phương pháp thực nghiệm nhằm xác định ứng xử “bê tông đất” cho Bảng kết cấu tường bê tông đất chịu tác dụng tải Bảng Tỷ lệ phối trộn vật liệu thành phần “bê tông đất” Thành phần Cốt liệu thô Cốt liệu mịn “Đất thô” Xi măng Nước Phụ gia siêu dẻo Hàm lượng 920 (kg) 900 (kg) 258 (kg) 145 (kg) 160 (kg) 12 (l) 2.2 Đặc tính học “bê tơng đất” trịn đường kính Φ15-30, Hình Kết thí nghiệm Đặc trưng học loại “bê tông đất” nén mẫu (ở 28 ngày tuổi) cho giá trị cường độ chịu xác định thơng qua thí nghiệm nén (theo tiêu nén trung bình 15 MPa mơ đun đàn hồi trung chuẩn TCVN 3118-1993) thí nghiệm ép chẻ (theo bình 12 GPa Cường độ chịu kéo trung bình xác tiêu chuẩn TCVN 8885 :2011) mẫu hình trụ định từ thí nghiệm ép chẻ 2,45 MPa (a) (b) (c) Hình (a) mẫu “bê tơng đất“ thí nghiệm; (b) thí nghiệm nén (c) thí nghiệm ép chẻ Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 21 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.3 Đúc tường thí nghiệm đúc để thí nghiệm xác định ứng xử chịu uốn Kích thước tường thiết kế dựa hai ngồi mặt phẳng Tường thi cơng tồn khối điều kiện: điều kiện thứ đảm bảo tỷ lệ ván khuôn đầm thủ công chiều cao chiều rộng (H/L) (tỷ lệ đầm dùi, hình 2(a) Sau thi cơng xong, bảo phần không nhỏ tường thực tế); dưỡng điều kiện thường khoảng 24h điều kiện thứ hai đảm bảo phù hợp với khả tháo ván khn (hình 2(b)) Tiếp tục bảo thiết bị phịng thí nghiệm Với dưỡng điều kiện thường sau 100 ngày tuổi tiêu chí đó, tường bê tơng đất thiết kế kích tiến hành thí nghiệm ứng xử uốn ngồi mặt thước 1,16m x1,25m x 0,3m (LxHxt) phẳng tường (a) (b) Hình Đổ, đầm bê tơng tường đầm dùi (a); tường bê tông đất sau tháo ván khn (b) 2.4 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm gia tải hệ thép hình I đóng vai trị hệ phản lực Hệ Thiết bị thí nghiệm nhằm xác định ứng xử uốn neo chặt vào đất thơng qua hệ ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tơng đất thép đường kính D50 có tiện gen, khóa chặt thể Hình Tường bê tơng đất hai đầu bu lông Tải trọng tác dụng tăng kê hai gối kê thép theo phương dần tới tường bị phá hủy hoàn toàn Để đánh bề rộng tường Tải trọng uốn mặt giá ứng xử uốn mặt phẳng kết cấu phẳng tác dụng lên thép đặt tường này, thiết bị đo lực loadcell tường Tải trọng tạo kích thủy cịn có đầu đo chuyển vị đặt cạnh vị trí lực gắn kèm với thiết bị đo lực (loadcell) đặt tác dụng lực Kết thí nghiệm trình thép Phía kích thủy lực bày cụ thể phía Thanh thép Steel rods cường độ cao shape HệSteel dầmI thép hình I system KíchHydraulic thủy lực có gắn kèm thiết bị actuator đo lực with associated a loadcell Steel Tấm plate thép Tường bê tông Earth concrete đất wall HệSteel gối đỡ supports thép Hình Mơ hình thí nghiệm xác định ứng xử chịu uốn mặt phẳng kết cấu tường “bê tơng đất” 22 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.5 Kết thí nghiệm tơng đất với pha tuyến tính Đỉnh đường cong tương ứng với phá hủy đột ngột tường bê tông đất thí nghiệm thể Ứng xử ứng xử đặc trưng loại kết cấu thông qua đường cong quan hệ lực - độ võng làm vật liệu giịn bê tơng, khơng có cốt tường, Hình Có thể thấy rằng, đường cong thép tác dụng tải trọng uốn ngồi mặt thể ứng xử “giịn” kết cấu tường bê phẳng Tải trọng thẳng đứng tác dụng (kN) Ứng xử uốn mặt phẳng kết cấu tường 250 200 150 100 50 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 Chuyển vị theo phương thẳng đứng tường (mm) Hình Ứng xử uốn ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tông đất Dạng phá hủy kết cấu tường bê tông đất tác dụng tải trọng uốn mặt phẳng thể Hình Đây dạng phá hủy uốn, phá hủy bắt nguồn từ nứt thớ dầm ứng suất kéo gây Tuy nhiên, phá hủy kết cấu tường diễn nhanh (đột ngột) vết nứt xuất mà khơng có lan truyền nứt khu vực lân cận Sự phá hủy thể ứng xử giịn kết cấu tường bê tơng đất phân tích mặt phẳng nghiên cứu mơ hình hóa dựa phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm ANSYS Kết mô đối chiếu với kết thực nghiệm nhằm xác minh phù hợp mô hình Mơ hình sau sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng tham số khác 3.1 Lựa chọn mơ hình vật liệu, phần tử, tải trọng tác dụng điều kiện biên Mơ hình đề xuất để mô ứng xử loại “bê tông đất” mơ hình “concrete” (Hình 6) có sẵn phần mềm ANSYS Mơ hình có khả kể tới hai dạng phá hủy kéo nén bê tông Cường độ chịu nén cường độ chịu kéo hai thông số xác định mặt phẳng phá hủy bê tông Ứng xử chịu nén “bê tơng đất” tn theo mơ hình đề xuất Desayi Krishnan ([4]) áp dụng cho bê tơng truyền thống, Hình Ứng xử xác định giá trị cường độ chịu nén bê Hình Dạng phá hủy tường bê tơng đất tác dụng tải trọng uốn ngồi mặt phẳng Mơ ứng xử ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tông đất Trong phần này, ứng xử kết cấu tường bê tông đất tác dụng tải trọng ngồi Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 tông biến dạng tương ứng (điểm 5) Điểm tương ứng với ứng suất 30% cường độ chịu nén lớn (0,3 ) biến dạng tương ứng xác định theo định luật Hooke ( ) Các điểm khác xác định thông qua mối quan hệ ( ) 23 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Nứt (do kéo) Nứt (do kéo) Nứt (do kéo) (Nứt kéo) (Vỡ nén) (Vỡ nén) Hình Mặt phẳng phá hoại mơ hình “concrete” ANSYS Cường độ chịu nén tới hạn Biến dạng ứng với cường độ chịu nén tới hạn Hình Ứng xử chịu kéo (a) chịu nén “bê tơng đất” mơ hình “concrete” Giá trị thông số đưa vào mơ hình “concrete” khơng phải giá trị đặc trưng học xác định từ thí nghiệm ngày bảo dưỡng mẫu tường thí nghiệm lâu nhiều so với ngày bảo dưỡng mẫu hình trụ Thay vào đó, để đảm bảo xác kết mơ phỏng, tham số đầu vào xác định từ thí nghiệm chịu nén ép chẻ mẫu hình trụ khoan trực tiếp từ tường thí nghiệm (sau thí nghiệm uốn ngồi mặt phẳng) Kết thí nghiệm sau: Mô đun đàn hồi ( MPa); hệ số Poisson ( ( ); cường độ chịu nén (MPa)) Giá trị trung bình cường độ hai hệ số cắt ứng với vết nứt mở đóng tham khảo Kachlakev, 2001 [8] Kết cấu tường bê tơng đất rời rạc hóa mô phần tử Solid65 Đây phần tử khối 3D gồm nút với bậc tự nút (ứng với chuyển vị nút theo phương x, y, z) Phần tử cho phép mô biến dạng dẻo nứt theo phương trực giao, cho phép mô ứng xử dẻo tuyến tính nhiều pha chịu nén Lưới phần tử chia có kích thước 20 x 20 x 50 (mm ) Hệ gối đỡ mô theo cách để kết cấu coi tựa gối cố định gối di động Tải trọng thẳng đứng áp chịu kéo xác định từ thí nghiệm ép chẻ 2,1 MPa thông qua chuyển vị thẳng đứng nút Tuy nhiên, giá trị tham số cường độ chịu kéo mặt phẳng phía tường, ứng với phần diện tích mơ hình “concrete” phải giá trị cường độ chịu kéo thép áp tải vị trí tường Để tiết kiệm uốn, xác định 1,6 lần giá trị cường thời gian tính tốn cách giảm số lượng phần độ chịu kéo ép chẻ (theo ACI 363, áp dụng cho tử, kết cấu tường mô đối xứng theo phương z qua mặt phẳng Oxy, Hình bê tơng truyền thống), 24 (MPa) Giá trị Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 KẾT CẤU - CƠNG NGHỆ XÂY DỰNG Hình Điều kiện biên tải trọng tác dụng 3.2 Kết mô Kết mô đối chiếu với kết thực nghiệm Hình Kết mơ phản ánh xác ứng xử giịn tải trọng uốn ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tơng đất xác định từ thí nghiệm Cả độ cứng chịu uốn cường Tải trọng tác dụng (kN) 250 độ chịu uốn lớn kết mô gần sát với kết thí nghiệm (chỉ sai lệch khoảng 5%) Hơn nữa, giá trị giá trị tính tốn theo cơng thức giải tích (độ cứng sức chịu tải ) Mơ Thí nghiệm 200 150 100 50 0 0.1 0.2 0.3 Chuyển vị thẳng đứng tường (mm) 0.4 Hình Quan hệ tải trọng - chuyển vị tường: kết mô kết thí nghiệm Hình 10 Dạng phá hủy xác định từ mô Dạng phá hủy xác định thông qua mô thể thông qua vết nứt (Hình 10) gây phá hủy đột ngột tường tác dụng tải trọng uốn mặt phẳng Dạng phá hủy hoàn toàn tương tự dạng Sự trùng khớp kết mô kết phá hủy xác định từ thực nghiệm (Hình 5) Các vết thí nghiệm đường cong ứng xử lẫn dạng nứt xuất thớ vị trí phá hủy cho thấy mơ hình “concrete” phù hợp tường sau nhanh chóng lan truyền dọc để mơ ứng xử mặt phẳng kết cấu theo mặt phẳng vng góc với mặt phẳng tường, tường bê tơng đất Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 25 KẾT CẤU - CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Kết luận Desayi P and Krishnan S (1964) “Equation for the Như vậy, nghiên cứu đóng góp thêm liệu khoa học quan trọng ứng xử kết cấu làm Stress-Strain Curve of Concrete”, Journal of the American Concrete Institute, 61, pp 345-350 từ bê tông đất tác dụng tải trọng uốn G Landrou, C.M Ouellet-Plamondon, C Brumaud, G mặt phẳng Kết thí nghiệm cho thấy ứng xử uốn Habert (2014) “Development of a selfcompacted clay- mặt phẳng kết cấu tường bê tơng đất based ứng xử giịn tuyến tính với dạng phá hủy đột ngột environmental investigations”, World SB14 Đây dạng ứng xử đặc trưng kết cấu làm concrete: rheological, mechanical and H Hwang (2011) “Presentation and Demonstration at từ vật liệu giòn giống bê tơng truyền thống the khơng có cốt thép gia cường Kết mô Conference on Earthen Architecture in Asia, Mokpo, phương pháp phần tử hữu hạn với mơ hình South Korea “concrete” hồn tồn trùng khớp với kết thực nghiệm xác nhận phù hợp mơ hình Sự phù hợp mơ hình để mô ứng xử kết cấu bê tông đất chịu tác dụng tải trọng khác tiếp tục kiểm chứng nghiên cứu tương lai gần Asia 2011”, the 2011 International Kanema, J M., Eid, J., & Taibi, S (2016) “Shrinkage of earth concrete amended with recycled aggregates and superplasticizer: Impact on mechanical properties and cracks”, Materials & Design, 109(Supplement C), 378–389 Kachlakev D (2001) “Finite element modeling of Lời cảm ơn: reinforced concrete structures strengthened with FRP Nghiên cứu tài trợ trường Đại học Giao thông vận tải, thông qua đề tài cấp trường mã số: T2021-XD-006 laminates”, Technical Report M Calkins (2007) “Chapter in Materials for Sustainable TÀI LIỆU THAM KHẢO Evaluation, Avrami E, Guillaud H, Hardy M, (2008) “Terra literature review-an overview of research in earthen architecture Terre conservation”, Los Angeles (United States), The Getty Conservation Institute; p 21–31 Sites A Selection, Complete Guide and of Use to the Sustainable Construction Materials”, John Wiley and Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, (457 pp.) 10 Pacheco-Torgal, F., & Jalali, S.: Earth construction (2012) “Lessons from the past for future eco-efficient construction”, Construction and Building Materials, 29 Bui Thi Loan, Nguyen Xuan Huy, Nguyen Tien Dung, Le Minh Cuong, Bui Tan Trung (2019): “Experimental study on the compressive behavior of earth concrete walls”, Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (10/2019), 296-305 (Supplement C), 512–519 11 Van Damme, H., & Houben, H (2017) “Earth concrete: Stabilization revisited”, Cement and Concrete Research Ngày nhận bài: 02/6/2021 C.M Ouellet-Plamondon, G Habert (2016) “Selfcompacted clay-based concrete (SCCC): proof-ofconcept”, J Clean Prod 117, 160–168 26 Ngày nhận sửa: 22/6/2021 Ngày chấp nhận đăng: 03/7/2021 Tạp chí KHCN Xây dựng - số 2/2021 ... Ứng xử xác định giá trị cường độ chịu nén bê Hình Dạng phá hủy tường bê tông đất tác dụng tải trọng uốn ngồi mặt phẳng Mơ ứng xử ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tơng đất Trong phần này, ứng xử. .. biên tải trọng tác dụng 3.2 Kết mô Kết mô đối chiếu với kết thực nghiệm Hình Kết mơ phản ánh xác ứng xử giịn tải trọng uốn ngồi mặt phẳng kết cấu tường bê tơng đất xác định từ thí nghiệm Cả độ cứng... giịn bê tơng, khơng có cốt tường, Hình Có thể thấy rằng, đường cong thép tác dụng tải trọng uốn mặt thể ứng xử “giòn” kết cấu tường bê phẳng Tải trọng thẳng ? ?ứng tác dụng (kN) Ứng xử uốn mặt phẳng