1.13.3. Kiểm tra mẫu thử
Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phịng thí nghiệm của Trường ĐHSPKT.
Dầm được đặt trên tựa đơn trên các gối tựa của máy uốn. Các thiết bị đo biến dạng và chuyển vị được gắn trên dầm để ghi nhận kết quả.
Dầm bê tơng kích thước 3300 x 200 x 300 (mm). Các gối đỡ cách đầu dầm 150 mm. Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Hình 1.4: Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm [1]
Đối với bê tông Geopolymer và bê tông Xỉ thép cốt thép chịu kéo sử dụng thép Ø14 có diện tích mặt cắt ngang As=154 mm2. Cịn bê tơng thường sử dụng cốt thép chịu kéo Ø16 có diện tích mặt cắt ngang As=210 mm2. Đối với cốt thép chịu nén sử dụng thép Ø12 có diện tích mặt cắt ngang As=113 mm2. Cốt thép đai chịu cắt Ø6@150mm có As=28 mm2.
Hình 1. 5: Thiết kế dầm tính tốn [1]
1.13.4. Các kết quả thực nghiệm sử dụng so sánh
Các kết quả của thực nghiệm kéo tuột sử dụng để so sánh với mô phỏng
Khi có được các thơng số lực kéo tuột lớn nhất, năng lượng phá hoại của bê tông Geopolymer ta sử dụng phương pháp mơ phỏng lại nghiên cứu về sự bám dính giữa bê tơng geopolymer (GPC) và cốt thép và so sánh với các kết quả của thí nghiệm kéo tuột, được thực hiện tại trường đại học Sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh [17], sau đó nội suy ra các thơng số dính bám của thép gân Ø14 để áp dụng vào mơ phỏng dầm bê tơng.
Hình 1.7: Lực kéo tuột của thép gân Ø12 trong bê tông Geopolymer [17]
Hình 1.9: Lực kéo tuột của thép gân Ø20 trong bê tông Geopolymer [17]
Kết quả thực nghiệm dầm bê tông Geopolymer Thành phần cấp phối cho cấu kiện dầm Geopolymer.
Mẫu Đá Cát Tro TTL NaOH Sợi PP Mol
CP1 1068 587 413 82.5 203.5 9.1 16M
Cốt thép chịu kéo của bê tơng Geopolymer sử dụng 5 thanh Ø14 có As=770 mm2. Cốt thép chịu nén sử dụng 2 thanh Ø12 có As=226 mm2.
Kết quả thực nghiệm của dầm Geopolymer
Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ thép
Thành phần cấp phối cho cấu kiện dầm bê tông xỉ thép
Mẫu XM Cát Xỉ/Đá Nước N/XM Phụ Gia
CPX1 411.7 687.1 1173.3 190 0.46 4.1
Cốt thép chịu kéo của bê tông Geopolymer sử dụng 5 thanh Ø14 có As=770 mm2. Cốt thép chịu nén sử dụng 2 thanh Ø12 có As=226 mm2.
Mơ hình thực nghiệm của dầm bê tơng xỉ thép
Hình 1.11: kết quả thực nghiệm của bê tông xỉ thép [2]
Kết quả thực nghiệm dầm bê tông Thường
Thành phần cấp phối cho cấu kiện dầm bê tông thường:
Bê tơng thường sử dụng bê tơng có cường độ chịu kéo fc=2.64(MPa), cường độ chịu nén ft=25.5 (MPa).
Cốt thép chịu kéo của bê tông thường sử dụng 5 thanh Ø16 với As=1005 mm2. Cốt thép chịu nén sử dụng 2 thanh Ø12 có As=226 mm2.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ chế liên kết của bê tông và cốt thép : 2.1 Cơ chế liên kết của bê tông và cốt thép :
Liên kết có thể được định nghĩa là sự tương tác và truyền lực giữa cốt thép và bê tông, cấu trúc bê tông cốt thép làm việc theo cơ chế chịu ảnh hưởng bởi các hành vi này. Ví dụ như: Chiều rộng và khoảng cách của các vết nứt ngang thì phụ thuộc vào lực liên kết tối đa của bê tơng và cốt thép.
Hình 2.1: Cơ chế sự di chuyển của các lực liên kết [16]
Liên kết trong bê tông cốt thép có được thơng 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 tơng qua đó giúp cho bê tơng và cốt thép liên kết với nhau.
2.1.2 Lực ma sát tạo liên kết
Ma sát là lực một phần chống lại sự trượt giữa bê tông và cốt thép, lực ma sát bị ảnh hưởng bởi lực nén vng góc với bề mặt tiếp xúc và độ nhám của mặt tiếp xúc. Lực ma sát trong các cấu trúc bê tơng cốt thép có thể là kết quả của lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép, lực nén bên ngồi vng góc với mặt tiếp xúc hoặc lực kẹp
do thép gia cường hoặc thép nối
2.1.3 Liên kết giữa cốt thép và bê tông
Liên kết lồng vào nhau giữa bê tơng và cốt thép được hình thành khi cốt thép được kết nối tạo thành một khung xương vững chai và được bao quanh bởi bê tông. Các thanh thép giữ vai trò chịu kéo còn bê tơng giữ vai trị chịu nén qua đó giúp cho cấu kiện bê tông cốt thép chịu đựng được một lực tác dụng lớn hơn khi chúng làm việc đơn lẻ. Diện tích bề mặt tiếp xúc càng lớn thì liên kết càng bền vững.
Các cơ chế nêu trên đều ảnh hưởng đến khả năng liên kết giữa bê tơng và cốt thép, trong đó lực bám dính và lực ma sát đóng vai trị chính ngăn cản sự trượt giữa bê tông và cốt thép, theo dõi phần giới thiệu trên ta có thể thấy rằng cơ sở lý thuyết để xảy ra hiện tượng trượt giữa bê tông và cốt thép khi cấu kiện dầm bị phá hoại liên quan mật thiết đến lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép cũng như lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc của bê tông và cốt thép.
2.2 Mơ hình của bê tơng
Đối với bê tơng thì các nhà nghiên cứu đã đưa ra được hai mơ hình dạng biểu đồ dành cho bê tơng đó là mơ hình chịu nén của bê tơng và mơ hình chịu kéo của bê tơng.
Các mơ hình thể hiện hành vi chịu kéo - nén của bê tơng thì được thể hiện trong rất nhiều các quy phạm, tiêu chuẩn về xây dựng ở trên thế giới. Những mơ hình này thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng trong cấu kiện bê tông.
2.2.1 Mơ hình Hsu – Hsu (1994).
Mơ hình Hsu – Hsu [18] mơ tả tính chất phi tuyến của vật liệu bê tơng, dựa trên mơ hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tơng: vết nứt chịu kéo, cường độ chịu nén phá hủy. Tương tự trong đường cong của phần mền Abaqus đề xuất. Mơ hình dựa trên cường độ chịu nén dọc trục và chịu kéo dọc trục để mơ tả tính chất bê tơng. Từ đó đưa ra hai đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo và chịu nén của bê tông để mơ tả tính chất bê tơng khi làm việc.
Mơ hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tơng
Mơ hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông đề xuất Hsu-Hsu (1994) được sửa đổi và phát triển bởi Nayal và Rasheed (2006) [19] là phù hợp tính tốn trong phần mền Abaqus. Do đó, chúng tơi ứng dụng mơ hình này để thể hiện ứng xử chịu kéo của bê tơng. Mơ hình tính này cũng thể hiện sự hình thành cường độ chịu kéo dựa trên nền tảng quan hệ ứng suất biến dạng đẳng hướng. Mơ hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép được đề xuất Hsu-Hsu (1994) được minh họa hình 3. Mơ hình độ cứng chịu kéo sửa đổi bởi Nayal và Rasheed (2006) phù hợp với Abaqus được thể hiện hình 2.2.
Hình 2.2 - Mơ hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006). [19] Việc sửa đổi mơ hình độ cứng chịu kéo – Nayal và Rasheed (2006). Vì biến dạng lớn nhất (ɛcr) khi ứng suất (σt0) xuống 0.8x(σt0) thì phần mềm Abaqus sẽ báo lỗi. Vì thế, cần thay đổi giá trị ứng suất biến dạng tại vị trí đạt giá trị biến dạng cực hạn (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 - Mơ hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus. [19] Mơ hình số đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng trong miền chịu nén. Ứng xử đường cong ứng suất – biến dạng được cho bê tông được thiết lập theo phương pháp số được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994). Trong mơ hình này có thể được sử dụng phát triển quan hệ ứng suất - biến dạng đến cường độ nén 1 trục phá hủy đến 0.3 cu . Mơ hình tính tốn này có thể tính tốn cho cường độ chịu nén bê tông cấp độ khoảng 60Mpa. Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng Hsu – Hsu minh họa qua hình 2.4.
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. Mơ hình phương pháp Hsu – Hsu tính tốn 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)
Trong đó:
- Hệ số phụ thuộc vào hình dạng đường cong ứng suất - biến dạng. (2.2)
(2.3) - Hệ số modul – đàn hồi.
(2.4)
d : Được xác định tại vị trí ứng suất 0.3 c0 được tính tốn thơng số dựa vào c 0.8 cu
2.3. Mơ hình vật liệu thép trong mơ phỏng.
Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn giai đoạn (Hình 4): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm (DE).
Tuy vậy, trong tính tốn cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng, giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua. Trong kết cấu BTCT cốt thép có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của cốt thép. Để thuận tiện trong tính tốn, mơ hình vật liệu của cốt thép được sử dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều.
Hiện nay có hai quan niệm về mơ hình thép theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều: Mơ hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mơ hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng. 2.4. Mơ hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL).
Mơ hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.6. Đường cong này được xác định dựa vào các thông số của thép: Modul đàn hồi thép Es, Và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn của thép fy.
Hình 2.6: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mơ hình thép (SEPL) [18] 2.5. Mơ hình bám dính.
Mơ hình bám dính [20] được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được trình bày hình 2.7. Từ mơ hình này xác định được các thông số: Lực kéo lớn nhất tnmax , Và năng lượng phá hủy GIC được tính bằng diện
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 mơ phỏng cơng 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 mơn phỏng phi tuyến phức tạp. ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mơ phỏng hình dạng bất kỳ. Đồng thời kho mơ hình vật liệu có thể mơ 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 mơ phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học mơi trường điện áp.
ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit. Ngoài ra vẫn cịn hai khối phân tích phụ có cơng dụng đặc biệt : ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design. ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mơ hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới….
CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 3.1. Thơng số tính tốn cho mơ hình.
3.1.1. Mơ hình vật liệu bê tơng.
Từ kết quả thí nghiệm mẫu chịu nén của các tài liệu tham khảo từ các nghiên cứu trước đó của các tác giả được áp dụng và cơng thức tính tốn các thơng số của mơ hình vật liệu bê tơng ở chương 2. Các thơng số tính tốn đặc trưng của bê tông như: modul đàn hồi Ec, hệ số poission Ʋc, cường độ chịu nén fc, cường độ chịu kéo ft được tính tốn và trình bày ở bảng 3.1 cho 3 loại vật liệu là 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.
Bê tông thường
c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.169905E+4 0.2 25.5 2.64 Bê tông xỉ c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.502061E+4 0.2 40.86 3.96 Bê tông Geopolymer
c E (Mpa) c fc (Mpa) t f (Mpa) 3.103515E+4 0.152 36.2 4.2
Từ thông số đặc trưng vật liệu của bê tông thường, bê tông xỉ và bê tơng Geopolymer, có thể tính các thơng số đầu vào cho mơ hình vật liệu bê tơng theo hai mơ hình số vật liệu bê tơng được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994)
3.1.1.1. Thơng số của mơ hình Hsu – Hsu (1994).
Mơ hình Hsu – Hsu gồm có hai thơng số về đường cong miền chịu nén và đường cong miền chịu kéo của ba loại bê tông tương ứng được thể hiện dưới bảng 3.2 và bảng 3.3 dưới đây. Được đề xuất vào môi trường Abaqus khi nhập các giá trị chịu kéo ft và chịu nén fc vào mơ hình Hsu – Hsu được trình bày ở mục 2.2.1 .
Bảng 3.2: Thơng số miền chịu nén của mơ hình Hsu – Hsu.
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tơng của SRCB
Mơ hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c
1.41E+07 0.00E+00 2.26E+07 0.00E+00 2.01E+07 0.00E+00 1.93E+07 2.03E-02 3.09E+07 3.00E-02 2.73E+07 2.88E-02 2.36E+07 2.83E-02 3.78E+07 4.20E-02 3.35E+07 4.02E-02 2.49E+07 3.31E-02 3.99E+07 4.91E-02 3.53E+07 4.70E-02 2.55E+07 3.76E-02 4.09E+07 5.58E-02 3.62E+07 5.34E-02 2.51E+07 4.43E-02 4.02E+07 6.57E-02 3.56E+07 6.29E-02 2.45E+07 4.83E-02 3.93E+07 7.17E-02 3.48E+07 6.86E-02 2.28E+07 5.57E-02 3.66E+07 8.27E-02 3.24E+07 7.91E-02 1.77E+07 7.42E-02 2.83E+07 1.10E-01 2.51E+07 1.05E-01 1.39E+07 8.98E-02 2.23E+07 1.33E-01 1.98E+07 1.28E-01 1.21E+07 1.00E-01 1.93E+07 1.49E-01 1.71E+07 1.43E-01 1.01E+07 1.14E-01 1.62E+07 1.68E-01 1.44E+07 1.61E-01
Bảng 3.3: Thơng số miền chịu kéo của mơ hình Hsu – Hsu.
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tơng của RCB
Mơ hình vật liệu bê tông của GRCB Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c Ứng suất ( )e Biến dạng ( )c 2.64E+06 0.00E+00 3.96E+06 0.00E+00 4.20E+06 0.00E+00 2.03E+06 1.51E-03 3.05E+06 1.41E-03 3.23E+06 1.89E-03 1.19E+06 4.83E-03 1.78E+06 4.52E-03 1.89E+06 6.06E-03 2.64E+05 1.05E-02 3.96E+05 9.84E-03 4.20E+05 1.32E-02
3.1.2. Mơ hình vật liệu thép.
Các thơng số tính tốn đặc trưng của thép trong đề tài này sử dụng loại thép AIII như: modul đàn hồi Ec, hệ số poission Ʋc, cường độ chịu kéo fy, cường độ chịu nén fu được trình bày trong bảng 3.4.
Bảng 3.4: Thông số đặc trưng của cốt thép [3]
c E (Mpa) c fy (Mpa) u f (Mpa) 210E+3 0.3 365 440
Từ thông số đặc trưng cốt thép trong bảng 4.6 , Chúng ta có thể tính tốn các thơng số tính tốn đưa vào mơ hình. Có hai loại mơ hình trong mơ tả vật liệu cốt