Chương 5 Mô phỏng phần tử hữu hạn
5.6 Mô phỏng các mô hình mở rộng
Do quá trình thực hiện thí nghiệm, vì những điều kiện về vật liệu không đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về chất lượng cho nên nảy sinh những vấn đề sau:
• Cường độ bê tông NSC ở nhóm mẫu M2−C20HP C không đạt đủ cường độ yêu cầu thiết kế;
• Cường độ bê tông chỉ mới dừng lại ở mức bê tông cường độ cao HPC chứ chưa đạt được tới cường độ bê tông cường độ siêu cao UHPC như dự định ban đầu của khảo sát.
Cho nên vấn đề đặt ra là ứng xử của cấu kiện chịu lực dọc trục của các nhóm mẫu sẽ như thế nào, nếu có sự thay đổi về thông số vật liệu của vùng bê tông cường độ thường và lõi bê tông cường độ cao?
Do đó để trả lời cho vấn đề trên, tiến hành mô phỏng phân tích ứng xử các mô hình nhóm mẫu mở rộng, mà ở đó thông số vật liệu đầu vào cho mô hình M4 của các loại bê tông được thay đổi. Đồng thời sẽ so sánh kết quả thu được từ các nhóm mẫu này với các nhóm mẫu tương ứng.
5.6.1 Mô hình M2-C30G7 và M2-C30HPC
Ở mô hình nhóm mẫu M2−C30G7này thì các tham số về mô hình vật liệu M4 cho vùng lõi bê tông UHPC tương ứng với U HP C −G7 [2] (chủng loại UHPC này có sử dụng sợi thép với hàm lượng 1%) đã được được trình bày ở bảng 5.2 . Trong khi đó, mô hình vật liệu M4 cho vùng bê tông NSC sẽ lấy giống như của C30 (bảng 5.2)
Còn đối với nhóm mẫu M2−C30HP C nhóm mẫu được mô phỏng là một cấu kiện có các tham số vật liệu M4 cho bê tông vùng NSC và lõi HPC tương ứng lần lượt với mô hình vật liệu dành cho C30 và HPC đã được trình bày ở bảng bảng 5.2. Và nhóm mẫu này đặt tên là M2−C30HP C.
Kết quả mô phỏng lực và biến dạng của nhóm mẫu M2−C30G7 và nhóm mẫu M2−C30HP C được trình bày ở bảng 5.5. So sánh kết quả chênh lệch giữa hai nhóm mẫu này với các mẫu M1 và M2 thực hiện bởi mô phỏng và thực nghiệm lần lượt được trình bày trong bảng 5.6 và 5.7.
Bảng 5.5: Kết quả mô phỏng của nhóm mẫu M2-C30G7 và M2-C30HPC
Nhóm mẫu Pumax(kN) umax(%₀)
M2-C30G7 1032.4 1.7138 M2-C30HPC 879.39 1.066
Bảng 5.6: So sánh kết quả giữa M2-C30G7 với các nhóm mẫu M1-C30 và M3-
C30HPC theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C30−expr +36.85 +9.187
M1−C30−sim +31.55 +16.056
M3−C30HP C−expr +33.38 +180
M3−C30HP C−sim +7.43 +45
Hình 5.15 thể hiện đường cong quan hệ lực-biến dạng giữa hai nhóm mẫu M2− C30G7 và M2−C30HP C thực hiện bởi mô phỏng. Đường cong lực -biến dạng của hai nhóm mẫu trong giai đoạn đàn hồi khì tải trọng còn nhỏ thì đi khá sát với nhau và khi tải trọng tăng dần thì chúng bắt đầu tách ra. Giữa hai nhóm
Bảng 5.7: So sánh kết quả giữa M2-C30HPC với các nhóm mẫu M1-C30 và M2-
C20-HPC theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C30−expr +16.56 −32.08
M1−C30−sim +12.05 −27.81
M3−C30HP C−expr +13.61 +73.9
M3−C30HP C−sim −8.5 −9.74
mẫu này thì nhóm mẫu M2−C30G7 có khả năng chịu lực tốt nhất, và trong cùng một cấp tải trọng thì biến dạng của nó nhỏ hơn.
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy Hình dạng phân bố US
khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Load-(kN)
Strain(‰)
M2_C30HPC-Sim M2_C30G7-Sim
Hình 5.15: Đường cong quan hệ lực- biến dạng giữa nhóm mẫu M2-C30HPC và
M2-C30G7 thực hiện bởi mô phỏng
Bên cạnh đó qua biểu đồ có thể thấy, ở giai đoạn sau khi đạt được khả năng chịu lực dọc trục tới hạnPumax thì đường cong lực -biến dạng của mẫuM2−C30HP C lập tức gãy xuống và giảm tải. Trong khi đó, ở mẫu M2−C30G7 thì vẫn duy trì ở một khoảng dài trước khi đường cong lực-biến dạng của nó đi xuống. Điều này chứng tỏ, việc sử dụng sợi thép trong U HP C−G7 đã khiến cho kết cấu trở nên dẻo dai, làm cho sự phân tán năng lượng trong kết cấu hiệu quả.
Qua sự phân bố ứng suất của nhóm mẫu M2−C30G7, có thể thấy ứng suất tập trung nhiều ở vũng lõi UHPC, trong khi đó tại vùng NSC xung quanh ứng suất nhỏ hơn nhiều và xấp xỉ chỉ bằng 1/12 ứng suất ở vùng lõi. Ứng suất tại chân cột lớn hơn ứng suất tại đầu cột. Sau khi nhóm mẫu M2−C30G7 đạt được khả năng chịu lực Pumax, thì ứng suất nén dọc thân mẫu giảm dần trong khi ứng suất kéo lại gia tăng nhanh chóng. Sự giảm ứng suất nén và gia tăng ứng suất kéo diễn ra rõ nhất là tại vị trí lõi bê tông UHPC, trong khi tại vùng NSC xung quanh tăng giảm ứng suất diễn ra diễn ra chậm hơn và sự phân bố ứng suất ở vùng này vẫn đều.
Đối với nhóm mẫu M2−C30HP C thì sự phân ở thời điểm Pumax thì ứng suất giữa vùng lõi HPC và vùng bê tông xung quanh xấp xỉ là 5 lần. Sau khi nhóm đạt được giá trị khả năng chịu lực dọc trục tới hạn thì ứng suất nén trong thân mẫu giảm dần. Ứng suất nén giảm nhiều ở vùng lõi bê tông HPC, còn vùng NSC ứng suất kéo gia tăng và tạo ra những vùng ứng suất nén kéo không đồng đều trên dọc thân mẫu. Chính sự phân bố ứng suất như vậy dẫn đến sự phá hủy cục bộ của kết cấu.
5.6.2 Mô hình M2-C20G7
Tương tự như mô hình M3 −C30G7 đã trình bày ở mục 5.6.1, thì mô hình M2−C30G7cũng sử dụng loại vật liệuU HP C−G7cho lõi bê tông cường độ siêu cao. Trong khi đó vùng NSC xung quanh sử dụng mô hình vật liệuM4dành cho bê tông C20 đã được trình bày ở bảng 5.2.
Kết quả mô phỏng lực và biến dạng của nhóm mẫu M2−C20G7 và nhóm mẫu M2−C30HP C được trình bày ở bảng 5.8. So sánh kết quả chênh lệch giữa nhóm mẫu này với kết quả các mẫuM1và M2thực hiện bởi mô phỏng và thực nghiệm lần lượt được trình bày trong bảng 5.9.
Trong đóM1−C20là nhóm mẫu cột bê tông cốt thép đối chứng được mô phỏng với mô hình vật liệu M4 theo C20 đã được trình bày ở bảng 5.2.
Bảng 5.8: Kết quả mô phỏng của nhóm mẫu M2-C20G7 và M1-C20
Nhóm mẫu Pumax(kN) umax(%₀)
M2-C20G7 909.321 1.896 M1-C20 536.138 1.385
Bảng 5.9:So sánh kết quả giữa M2-C20G7 với các nhóm mẫu M1-C20,M2-C20HPC
theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C20−sim +69.6 +37
M2−C20HP C−expr +53.64 +180.9
M2−C20HP C−sim +38.72 +60.57
Biểu đồ so sánh đường cong quan hệ lực-biến dạng của nhóm mẫu M2−C20G7 ở trên với nhóm mẫu M2−C20HP C5.5 thực hiện bởi mô phỏng được trình bày chi tiết trong hình 5.16. Qua biểu đồ có thể thấy khi tải trọng còn nhỏ thì đường cong lực-biến dạng của hai nhóm mẫu có độ chênh không đáng kể, tuy nhiên khi tải trọng gia tăng thì độ chênh lệch tăng dần và hai đường cong này bắt đầu đi xa ra. Đến thời điểm khi hai mẫu đạt đến khả năng chịu lực tới hạn của mẫu, thì trong cùng một cấp tải trọng nhóm mẫuM2−C20G7 có biến dạng nhỏ hơn.
Điều này thể hiện ảnh hưởng cường độ của lõi UHPC đến độ cứng của kết cấu.
Sau khi đạt được giá trị Pumax của nhóm mẫu, thì M2−C20G7vẫn duy trì giai đoạn sau đàn hồi khá là dài trong khi đó mẫu M2−C20HP C thì đường cong lực biến dạng nhanh chóng đi xuống và kết thúc. Như vậy có thể thấy, nhờ có sợi thép bên trong UHPC-G7 mà độ dẻo dai và khả năng phân tán năng lượng của nhóm mẫu M2−C20G7 tốt hơn hơn M2−C20HP C.
Tuy nhiên bên cạnh đó, nếu so sánh với nhóm mẫu M3−C20G7 vẫn thì giai đoạn sau đàn hồi của nhóm mẫuM2−C20G7ngắn hơn và phá khi có tải trọng tăng cao thì xảy ra hiện tượng phá hoại cục bộ ở chân cột. Nguyên nhân xảy ra hiện tượng này là do cường độ của vùng NSC xung quanh lõi bê tông cường độ cao thấp, cho nên khi tải trọng tăng cao vùng bê tông NSC xung quanh ở chân cột bị phá hoại (mặc dù lõi UHPC vẫn còn khả năng chịu lực) dẫn đến kết cấu xuất hiện vùng phá hủy cục bộ tại chân cột 5.17.
Hình dạng phân bố US khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Load-(kN)
Strain(‰)
M2_C20HPC-Sim M2_C20G7-Sim
Hình 5.16: Biểu đồ so sánh đường cong quan hệ lực- biến dạng giữa nhóm mẫu
M2-C20G7 và M2-C20HPC thực hiện bởi mô phỏng
M2-C20G7 M2-C20HPC
Hình 5.17: Hình dạng phân bố ứng suất của nhóm mẫu M2-C20G7 và M2-C20HPC
khi phá hủy thực hiện bởi mô phỏng
5.6.3 Mô hình M3-C30G7
Mô hình nhóm mẫu M3−C30G7 được mô phỏng với các tham số đầu vào dành cho bê tông NSC-C30 và UHPC-G7 như đã được trình bày trong bảng 5.2. Kết quả lực và chuyển vị thu được từ mô phỏng của nhóm mẫu được trình bày trong bảng 5.10. Bảng 5.11 thể hiện sự chênh lệch kết quả của nhóm mẫuM3−C30G7 với các nhóm mẫu M1-C30,M2-C30HPC,M2-C30G7 và M3-C30HPC thực hiện bởi thực nghiệm và mô phỏng.
Bảng 5.10: Kết quả mô phỏng của nhóm mẫu M3-C30G7
Nhóm mẫu Pumax(kN) umax(%₀) M3-C30G7 1212.9 2.13
Bảng 5.11: So sánh kết quả giữa M3-C30G7 với các nhóm mẫu M1-C30,M2-
C30HPC,M2-C30G7 và M3-C30HPC theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C30−expr +60.78 +35.7
M1−C30−sim +54.55 +44.24
M2−C30HP C−sim +37.87 +99.81
M2−C30G7−sim +17.5 +24.28
M3−C30HP C−expr +56.69 +247.47
M3−C30HP C−sim +26.213 +152.7
Hình 5.18 là biểu đồ so sánh lực-biến dạng của hai nhóm mẫu M3−C30G7 và M3−C30HP C thực hiện bởi mô phỏng. Trong giai đoạn đàn hồi, khi tải trọng còn thấp thì2 đường này có độ chênh lệch ít tức là biến dạng không có sự chênh lệch nhiều, nhưng khi tải trọng bắt đầu gia tăng thì biến dạng của hai nhóm mẫu này có độ chênh lệch lớn và 2 đường cong này bắt đầu tách xa ra nhau.
Qua biểu đồ có thể thấy nhóm mẫu sử dụng bê tông U HP C −G7 có khả năng chịu lực lớn và biến dạng nhỏ hơn nhóm mẫu sử dụng UHPC.
Khi đạt giá trị Pumax thì nhóm mẫu sử dụng UHPC nhanh chóng giảm lực và đường cong lực- biến dạng mau chóng đi xuống. Trong khi nhóm mẫu sử dụng bê tông cường độ cao U HP −G7 thì vẫn duy trì một lúc thì đường cong biến dạng qua giai đoạn giảm bền. Điều này chứng tỏ sử dụng sợi thép bên trong U HP C−G7 khiến cho kết cấu có độ dẻo dai. Hình dạng phá hoại của hai nhóm
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy Hình dạng phân bố US
khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi Pumax
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
LoadH(kN)
Strain(‰)
M3-C30G7-Sim M3-C30HPC-Sim
Hình 5.18: Biểu đồ so sánh đường cong quan hệ lực- biến dạng giữa nhóm mẫu
M3-C30G7 và M3-C30HPC thực hiện bởi mô phỏng
mẫu M3−C30G7 và M3−C30HP C được trình bày trong hình 5.19. Qua đó có thể thấy mẫu M3−C30HP C bị phá hoại cục bộ tại chân cột phù hợp với quan sát được từ thực nghiệm, trong khi nhóm mẫu M3−C30G7 có hình dạng phá hoại uốn cong thân mẫu.
5.6.4 Mô hình M3-C20G7 và M3-C20HPC
Trong trường hợp này, mô phỏng 2 mô hình thí nghiệm cột bê tông cốt thép với vùng bê tông NSC là C20 , lớp lõi bê tông cường độ cao sử dụng hai loại là U HP C −G7 và bê tông HPC với các tham số đầu vào cho mô hình M4 đã được trình bày ở bảng 5.2.Và hai nhóm mẫu mô phỏng này lần lượt lấy tên là M3−C20G7 và M3−C20HP C
Kết quả mô phỏng lực và biến dạng của nhóm mẫu M2−C30G7 và nhóm mẫu M2−C30HP C được trình bày ở bảng 5.12. So sánh kết quả chênh lệch giữa hai
M3-C30G7 M3-C30HPC
Hình 5.19: Hình dạng phân bố ứng suất của nhóm mẫu M3-C30G7 và M3-C30HPC
khi phá hủy thực hiện bởi mô phỏng
nhóm mẫu này với các mẫu M1−C20và M2−C20HP C,M2−C20G7 thực hiện bởi mô phỏng và thực nghiệm lần lượt được trình bày trong bảng 5.13 và 5.14.
Bảng 5.12: Kết quả mô phỏng của nhóm mẫu M3-C20G7 và M3-C20HPC
Nhóm mẫu Pumax(kN) umax(%₀)
M3-C20HPC 712.917 1.272 M3-C20G7 1080.2 2.122
Bảng 5.13: So sánh kết quả giữa M3-C20HPC với các nhóm mẫu M1-C20,M2-
C20HPC theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C20−sim +32.83 −8.16
M2−C20HP C−expr +20.46 +88.44
M2−C20HP C−sim +8.76 +1.27
Hình 5.20 thể hiện đường cong quan hệ lực-biến dạng giữa hai nhóm mẫu M3− C20G7 và M3−C20HP C thực hiện bởi mô phỏng. Đường cong lực -biến dạng của hai nhóm mẫu trong giai đoạn đàn hồi khì tải trọng còn nhỏ (dưới 200kN) thì đi khá sát với nhau và có độ chênh lệch ít. Tuy nhiên khi tải trọng tăng dần thì chúng bắt đầu tách ra và biến dạng giữa hai mẫu có độc chênh lệch
Bảng 5.14:So sánh kết quả giữa M3-C20G7với các nhóm mẫu M1-C20,M2-C20HPC
theo thực nghiệm và mô phỏng
Nhóm mẫu Chênh lệch Pumax(%) Chênh lệchumax(%)
M1−C20−sim +101.26 +53.2
M2−C20HP C−expr +82.51 +214.37
M2−C20HP C−sim +64.79 +68.413
nhiều. Giữa hai nhóm mẫu này thì nhóm mẫuM3−C20G7 có khả năng chịu lực tốt nhất, và trong cùng một cấp tải trọng thì biến dạng của nó nhỏ hơn mẫu M3−C20G7.
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
Load-(kN)
Strain(‰)
M3_C20HPC-Sim M3_C20G7-Sim
Hình dạng phân bố US khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy Hình dạng phân bố US
khi Pumax
Hình dạng phân bố US khi KC phá hủy
Hình 5.20: Biểu đồ so sánh đường cong quan hệ lực- biến dạng giữa nhóm mẫu
M3-C20G7 và M3-C20HPC thực hiện bởi mô phỏng