CHƯƠNG 3 : THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG
4.4. Đánh giá kết quả của mơ hình mơ phỏng
4.4.4. Đánh giá kết quả mô phỏng dầm bê tông thường (RCB)
Đối với mô phỏng dầm bê tông thường ta đưa ra các biểu đồ so sánh giá trị tải trọng - chuyển vị giữa dầm, phần mềm Abaqus có thể xuất được kết quả biến dạng giữa dầm để có thể với giá trị tải trọng - biến dạng giữa dầm kết hợp với kết quả thu được từ thực nghiệm (bằng Strain gauge gán ở giữa nhịp dầm). Kết quả so sánh được trình bày qua các biểu đồ bên dưới với các trường hợp được trình bày trên mục 3.3.4.3.
+ Trường hợp 1c: so sánh Thực nghiệm và Trường hợp 3 tại mục 3.3.4.3.
Hình 4.20: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Tie) bê tông RCB
+ Trường hợp 2c: so sánh Thực nghiệm và Trường hợp 2 tại mục 3.3.4.3.
+ Trường hợp 3c: so sánh Thực nghiệm và Trường hợp 1 tại mục 3.3.4.3.
Hình 4.22: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Viscosity) bê tông RCB
Tổng hợp kết quả các trường hợp mô phỏng của bê tông Thường
Từ các so sánh kết quả thực nghiệm mô phỏng cả 3 trường hợp của vật liệu bê tông thường ta có các bảng tổng hợp kết quả như bảng 4.6 và bảng 4.7 dưới đây.
Bảng 4.6: Tổng hợp kết quả Tải trọng giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông RCB Các giai đoạn làm việc Thực nghiệm Mô phỏng Wire liên kết (Embedded) Mô phỏng Solid liên kết(Tie) Mô phỏng Solid liên kết (Viscosity) Tải trọng (kN) Tải trọng (kN) Sai số (%) Tải trọng (kN) Sai số (%) Tải trọng (kN) Sai số (%) Đàn hồi (max) 85.61 77.04 10.01 79.44 7.21 84.68 1.09 Đàn dẻo (max) 94.64 88.2 6.80 85.8 9.34 95.77 1.19 Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả Chuyển vị giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông RCB Các giai đoạn làm việc Thực nghiệm Mô phỏng Wire liên kết (Embedded) Mô phỏng Solid liên kết(Tie) Mô phỏng Solid liên kết (Viscosity) Chuyển vị (mm) Chuyển vị (mm) Sai số (%) Chuyển vị (mm) Sai số (%) Chuyển vị (mm) Sai số (%) Đàn hồi (max) 17.09 13.98 18.20 18.18 6.38 17.39 1.76 Đàn dẻo (max) 22.6 22.5 0.44 22.5 0.44 22.5 0.44 Dựa vào các biểu đồ và các bảng số liệu tổng hợp ta có thể dễ dàng nhận thấy khi mô phỏng dầm bê tông cốt thép sử dụng vật liệu bê tông Thường.
o Trường hợp 1c: Chúng ta sử dụng thép chịu lực là sợi (Wire) và cốt thép chịu lực được “Embedded” vào bê tơng thì sai số ở các giai
o đoạn phá hoại của chuyển vị và tải trọng ở các giai đoạn phá hoại đều tương đối lớn.
o Trường hợp 2c: Chúng ta sử dụng thép chịu lực là vật thể (Solid) và cốt thép chịu lực được “Tie” vào bê tơng thì sai số của chuyển vị và tải trọng ở các giai đoạn phá hoại đều ở mức trung bình.
o Trường hợp 3c: Chúng ta sử dụng thép chịu lực là vật thể (Solid) và cốt thép chịu lực có đề cập tới sự bám dính khơng hồn hảo với bê tơng bằng hàm “Viscosity” thì sai số ở các giai đoạn phá hoại của chuyển vị và tải trọng cũng rất thấp và đường cong tải trọng – chuyển vị của mô phỏng – thực nghiệm gần như trùng nhau.
Kết quả mô phỏng dầm bê tông Thường khi đề cập tới sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tông và cốt thép rất gần với thực nghiệm và có sai số rất thấp so với thực nghiệm. Ta có thể kết luận các hệ số của mơ hình kéo tuột của bê tơng Geopolymer có độ tương thích khá cao đối với bê tông thường và khuyến cáo khi mô phỏng dầm bê tông cốt thép Thường chúng ta nên đề cập tới sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép để kết quả mơ phỏng chính xác nhất so với thực nghiệm.
4.4.5. So sánh kết quả mô phỏng của ba nền vật liệu khác nhau.
Dựa vào các biểu đồ so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng của ba nền vật liệu khác nhau như hình 4.13 và hình 4.19. Thì khi Chúng ta đề cập đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tông và cốt thép chúng ta thu được kết quả mô phỏng giữa bê tông Geopolymer sử dụng thép chịu kéo Ø14 và bê tông thường sử dụng thép chịu kéo Ø16 khá tương đồng và rất gần với kết quả thực nghiệm, có sai số thấp chỉ dưới 5%.
Vì vậy ta có thể đưa ra kết luận: lực kéo tuột lớn nhất tương ứng max
n
t = 5.4E+007(N) và năng lượng phá hoại GIC = 2890 (N.m) của bê tông Geopolymer khi sử dụng cốt thép chịu kéo là Ø14 tương thích với bê tơng thường sử dụng cốt thép chịu kéo Ø16.
Tiếp theo dựa vào các biểu đồ so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng của ba nền vật liệu khác nhau như hình 4.13 và hình 4.16. Thì khi Chúng ta đề cập đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tông và cốt thép, chúng ta thu được kết quả mô phỏng giữa bê tông Geopolymer và bê tông Xỉ thép đều sử dụng thép chịu kéo Ø14 khơng được tương
Ta có thể đưa ra kết luận: lực kéo tuột lớn nhất tương ứng tnmax= 5.4E+007(N) và năng lượng phá hoại GIC = 2890 (N.m) của bê tông Geopolymer khơng tương thích với bê tơng Xỉ thép.
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
5.1. Kết luận và đánh giá.
Qua kết quả nghiên cứu đã trình bày có thể rút ra các kết luận sau:
Mơ phỏng tính tốn đối với dầm bê tơng bằng phần mềm Abaqus có thể thay đổi các thơng số tính tốn thuận tiện, giảm giá thành và thời gian nghiên cứu, cho kết quả nghiên cứu tương đối chính xác. Bên cạnh đó, để đạt được kết quả tính tốn chính xác nhất, người sử dụng phần mềm cần quản lý tốt những nhân tốt ảnh hưởng đến kết quả tính tốn như mơ hình vật liệu bê tơng, mơ hình vật liệu thép, tỉ lệ chia phần. Trong nghiên cứu này đề xuất việc mô phỏng dầm bê tông cốt thép nên thể hiển chi tiết hơn sự ràng buộc giữa bê tông và cốt thép chịu lực, qua đó thể hiện sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép, để nhằm mục đích có được kết quả mơ phỏng chính xác nhất so với kết quả của thực nghiệm.
Thông qua kết quả các bài tốn mơ phỏng ta có thể nhận thấy các thơng số của mơ hình kéo tuột của bê tơng Geopolymer khi đưa vào mô phỏng dầm bê tông cốt thép sử dụng vật liệu bê tơng Geopolymer có đề cập đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa cốt thép và bê tơng cho kết quả khá chính xác so với kết quả thực nghiệm. Các thơng số của mơ hình kéo tuột của bê tông Geopolymer cũng rất tương thích với vật liệu bê tông thường trong mơ phịng dầm bê tơng thường có đề cập đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép. Nhưng đối với vật liệu bê tơng Xỉ thì các thơng số từ mơ hình kéo tuột có độ tương thích chưa cao dẫn đến kết quả cịn chưa được gần nhất với thực nghiệm của dầm bê tông Xỉ thép.
5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo.
Ta có thể thấy khi có kết quả của thí nghiệm kéo tuột bê tơng Geopolymer thì chúng ta dễ dàng có thể mơ phỏng lại bằng phần mềm Abaqus. Qua đó có thể truy xuất ra được các giá trị của độ nhớt, lực kéo tuột lớn nhất, năng lượng phá hủy lớn nhất… Các kết quả đó có thể dễ dàng đưa vào trong việc mô phỏng dầm bê tông Geopolymer, đề cập sâu hơn sự ràng buộc giữa bê tông và cốt thép chịu lực, nhằm thể hiện rõ hơn sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép, qua đó thu được kết quả sai số giữa mô phỏng và thực nghiệm khá thấp.
lớn hơn.
Chính vì vậy qua nghiên cứu này chúng ta cũng có đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo là thực hiện thêm thí nghiệm kéo tuột của các loại vật liệu khác như bê tông Xỉ, để qua đó truy xuất được các hệ số của thí nghiệm kéo tuột nhằm mục đích đưa vào mơ phỏng dầm bê tơng Xỉ để có được kết quả mơ phỏng có sai số với kết quả thực nghiệm thấp nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Dương Văn Dũng. “Nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông Geopolymer cốt sợi sử dụng tro bay”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2016. [2] Nguyễn Hồng Vũ. “Ứng xử cấu kiện bê tông cốt thép cốt liệu xỉ thép”. Luận văn
thạc sĩ. Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2015.
[3] Nguyễn Tất Thành. “Khảo sát các mơ hình phá hoại dẻo của dầm bê tơng xỉ trong thí nghiệm uốn ba điểm”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2016.
[4] Lê Quý Đức. “Phân tích trường biến dạng trong dầm bê tơng cốt thép chịu uốn bằng phương pháp tương quan ảnh kỹ thuật số”. Luận văn thạc sĩ. Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM, 2017.
[5] B. Engstrom. Restraint cracking of reinforced concrete structures. Chalmers University, pp. 67-72, 2007.
[6] Alaka Ghosh. Modeling the bond stress at steel-concrete interface for uncorroded and corroded reinforcing steel. BUET, Bangladesh, pp. 16-21, 2000. [7] C. Frederick and P. Armstrong. “A mathematical representation of the
multiaxial
Bauschinger effect”. In: Materials at High Temperatures 24.1 (2007), pp. 1-26. [8] M. Jir´asek. “Damage and smeared crack models”. In: Numerical modeling of
concrete cracking. Springer, 2011, pp. 1-49.
[9] Stephen King, Tony Richards. “Solving Contact Problems with Abaqus”. In: DSUK Ltd, 2013.
[10] Dimosthenis Floros Olafur. Modelling and simulation of reinforced concrete beams. Chalmers University, pp. 30-35, 2013.
[11] Qixin Du. Finite Element Modelling of Steel/Concrete Bond for Corroded Reinforcement. University of Ottawa Ottawa, Canada. 2016.
[12] Z. P. Baiant. “Mechanics of distributed cracking”. In: Appl. Mech. Rev 39.5. (1986), pp. 675-705.
uncorroded and corroded reinforcing steel. BUET, Bangladesh, pp. 16-21, 2000. [14] G. C. Lykidis and K. Spiliopoulos. “3D solid finite-element analysis of
cyclically loaded RC structures allowing embedded reinforcement slippage”. In: Journal of structural engineering 134.4 (2008), pp. 629-638.
[15] TCXDVN 5574:2012 “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép” – Tiêu chuẩn thiết kế. NXB xây dựng.
[16] Các tính năng cơ lý của vật liệu dùng cho kết cấu bê tông cốt thép trong một số tiêu chuẩn hiện hành. Intermet:
http://www.ibst.vn/DATA/admin/Tapchi2011/Le%20Trung%20Phong4.2009.pd f 30/05/2016.
[17] Phạm Đức Thiện, Tạ Tuấn Anh, Phan Đức Hùng. Nghiên cứu sự bám dính giữa bê tơng geopolymer và cốt thép. Tạp Chí Xây Dựng Việt Nam. Số 8-2017, Trang 102-108. 8-2017.
[18] Hsu, L.S., & Hsu, C.-T.T. (1994). Complete stress-strain behaviour of high- strength concrete under compression. Magazine of Concrete Research, 46(169), pp 301-312,1994.
[19] Eivind, Hognestad.: A Study of Combined Bending and Axial Load in Reinforced Concrete Members. ENGINEERING EXPERIMENT STATION, University of Illinois, Urbana, November 1951. Bulletin Series No. 399, ENGINEERING EXPERIMENT STATION, University of Illinois, Urbana, Vol. 49, No. 22. Bulletin Series No. 399A, Vol. 49, No. 22
[20] Modeling Fracture and Failure with Abaqus. In: Dassault systemes, lecture 6. 2013.
[21] Abaqus Analysis User Manual – Abaqus Version 6.8. (2008). Internet: http://bee-pg-031941:2080/v6.8/books/usb/default.htm, 03/05/2016.
Mô phỏng dầm bê tông cốt thép xét đến sự bám dính khơng hồn hảo giữa bê tơng và cốt thép khi dầm bị phá hoại
Modelling of reinforced concrete beams take into consideration the imperfect bond steel with concrete when damaged concrete beam
Lê Anh Thắng1,*, Phan Viết Đức Hoàng2 và Nguyễn Sĩ Hùng 3
1Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
2Đại Học Lạc Hồng
3Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh
*Email: thangla@hcmute.edu.vn
Tóm Tắt:
Khai thác và sản xuất đá xây dựng hiện đang là vấn đề nóng bỏng. Nó gây ra ơ nhiễm, hủy hoại mơi trường, và làm tài nguyên thiên nhiên suy giảm. Bên cạnh đó, phế liệu sản xuất của ngành cơng nghiệp thép, xỉ thép, thì khơng ngừng gia tăng về mặt khối lượng. Chất thải này sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Xỉ thay thế cho đá nghiền trong bê tông là vấn đề đang được nhiều người quan tâm, vì đây là định hướng cho sự phát triển bền vững. Để có thể ước lượng được ảnh hưởng của lực bám dính giữa vật liệu nền bê tơng xỉ và cốt thép trong cấu kiện thật, thí nghiệm uốn dầm bê tơng xỉ được mơ phỏng trong mơi trường ABAQUS. Mơ hình dầm chịu uốn có xét và khơng xét sự bám dính giữa bê tơng xỉ và cốt thép được đánh giá bằng thí nghiệm. Căn cứ vào kết quả phân tích, mơ hình dầm xỉ có xét đến khả năng bám dính giữa bê tơng xỉ và cốt thép cho kết quả gần hơn với thực nghiệm.
Từ khóa: lực dính bám, bê tơng xỉ, mơ phỏng lực bám dính
1. Giới thiệu
Bê tông xỉ là loại bê tông tương đối nặng hơn so với bê tông thông thường. Mức độ bền vững và thân thiện với môi trường được đánh giá là ở mức chấp nhận được. Hiện nay, loại vật liệu này đang được nghiên cứu nhằm ứng dụng thay thế một phần bê tông truyền thống, vẫn đảm bảo điều kiện về mặt chịu lực và giảm tác động đến môi trường do phế thải công nghiệp.
Trong các cấu kiện bê tơng cốt thép, độ bám dính giữa bê tơng và thép đóng vai trị khá quan trọng. tạo ra liên kết giúp cho bê tơng và cốt thép có được sự làm việc chung. Khả năng bám dính giữa bê tơng và cốt thép có thể phụ thuộc vào loại bê tơng nền, hàm lượng thành phần trong cấp phối, điều kiện dưỡng hộ bê tông, trạng thái bề mặt dọc theo biên của cốt thép …
Bài báo chủ yếu tập trung vào việc đánh giá kết quả mơ phỏng khi xét và khơng xét mơ hình dính bám giữa vật liệu nền bê tơng xỉ và cốt thép. Mơ hình được kiểm chứng thông qua thực nghiệm. Thực nghiệm uốn dầm theo mơ hình uốn ba điểm được thực hiện ở trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Mẫu thí nghiệm là dầm bê tơng xỉ kích thước lớn. Giống như nhiều nghiên cứu khác [1,2,3,4], mơ phỏng thí nghiệm uốn dầm bê tơng xỉ được thực hiện trong mơi trường ABAQUS.
2. Thí nghiệm uốn dầm bê tông xỉ thép
Cấp phối bê tơng xỉ dùng cho thí nghiệm uốn dầm được giới thiệu trong Bảng 1. Thí nghiệm sử dụng LVDT (Linear Variable Displacement Transducer) để đo độ võng của dầm, Hình 1a. Dụng cụ ghi nhận số liệu thí nghiệm được thể hiện trong Hình 1b.
(a) (b)
Hình 1. Dụng cụ đo (a) LVDT (Linear Variable Displacement Transducer), (b) Máy ghi số liệu thực nghiệm
Bảng 1. Thành phần cấp phối của mẫu dầm bê tông xỉ (1m3)
Xi măng
(kg) (kg) Cát Xỉ thép (kg) Nước (l) N/XM Phụ gia (ml) (MPa) Rn
411,7 687,1 1431,3 190 0,46 4,1 40,7
2.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
Các mẫu dầm bê tông xỉ và mẫu thử được đúc trong cùng một thời điểm. Mẫu dầm thí nghiệm được thể hiện trong Hình 2. Dầm bê tơng có kích thước 3300 x 200 x 300. Các gối đỡ được đặt cách đầu dầm 150 mm. Cốt thép chịu kéo là 5Ф14, diện tích tiết diện ngang As = 153.9mm. Cốt thép cấu tạo, chịu nén, được bố trí là 2Ф12, diện tích tiết diện ngang As = 113.1 (mm2). Cốt thép đai bố trí đều suốt chiều dài dầm, Ф6a100, As= 28.3 mm2.Tải trọng tác dụng thẳng đứng ngay tại giữa dầm.
Các mẫu thử cường độ bê tơng hình khối vng 15x15x15cm được tạo với cùng cấp phối với dầm bê tông xỉ, thể hiện minh họa trong Hình 3. Kết quả khả năng chịu nén trung bình của các mẫu thử đạt Rn = 40,7(MPa).
Hình 3. Mẫu thí nghiệm kích thước 15x15x15 cm
3. Mơ phỏng thí nghiệm
3.1. Mơ hình bê tơng
Mơ hình Hsu – Hsu [5] được chọn cho vật liệu bê tông. Chúng được dùng để mô phỏng ứng xử phi tuyến của vật liệu bê tơng thơng qua hai mơ hình ứng xử vật liệu riêng biệt. Một mơ hình cho vật liệu bê tơng khi chịu kéo, và một cho bê tông khi chịu nén. Chúng được xây dựng dựa trên cường độ chịu nén của bê tông, cu, và được thể hiện ở Hình 4.
(a)
(b)
Hình 4. Mơ hình vật liệu bê tơng (a) nhánh chịu kéo, (b) nhánh chịu nén
3.2. Mơ hình thép
Mơ hình đàn dẻo lý tưởng được chọn để mơ phỏng ứng xử của cốt thép [6], thể hiện trong Hình 5. Mơ hình này được xác định dựa vào các thơng số của thép là modul đàn hồi Es, và cường