Mô phỏng dầm bê tông cốt thép xét đến sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi dầm bị phá hoại

TÓM TẮT Nghiên cứu này thông qua việc mô phỏng mô hình dầm bê tông cốt thép của các loại vật liệu khác nhau như: bê tông thường, bê tông xỉ thép, và bê tông geopolymer, nhằm đánh giá sự

TÓM TẮT

Nghiên cứu này thông qua việc mô phỏng mô hình dầm bê tông cốt thép của các loại vật liệu khác nhau như: bê tông thường, bê tông xỉ thép, và bê tông geopolymer, nhằm đánh giá sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông – cốt thép trên các nền vật liệu khác nhau Kết quả của nghiên cứu là mối quan hệ giữa tải trọng – chuyền vị tại vị trí giữa dầm được xét đến nhiều trường hợp mô phỏng như: thép chịu lực dính chặt vào bê tông, giữa thép chịu lực và bê tông có tồn tại mô hình Viscosity Các kết quả thu được từ mô phỏng được so sánh với kết quả của các thí nghiệm của các loại bê tông tương ứng Kết luận của nghiên cứu cho thấy khi đề cập tới sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép thì kết quả mô phỏng

và kết quả thực nghiệm gần nhau nhất và có sai số không lớn

ABSTRACT

This study simulates reinforced concrete beams of various materials such as concrete, steel slag concrete, and geopolymer concrete, in order to proof imperfect adhesive between concrete – steel when beam is destroyed The result of the study

is that the relationship between load and spatial displacement at the center of the beams is considered in many simulated cases such as: bearing steel embedded (tie)

to concrete or between reinforcing steel and concrete have viscosity make the steel slippery with concrete The results obtained from the simulation are compared with the results of the experiments of the respective types of concrete The conclusion of the study shows that when it comes to the imperfect adhesive steel with concrete, the results of simulation and experimental results are closest to each other

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 1

A.Tổng quan chung 1

1.1 Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương pháp nghiên cứu 2

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

B.Tổng quan về bê tông cốt thép 3

1.7 Tính chất của bê tông cốt thép 3

1.8 Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép 3

1.9.Tính chất cơ lý của bê tông cốt thép 4

1.10.Ưu điểm của bê tông cốt thép 6

1.11.Ứng dụng của bê tông cốt thép 7

1.12 Vai trò chịu lực của cốt thép trong bê tông 7

1.13 Các thí nghiệm để khảo sát tính dính bám giữa bê tông và cốt thép 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Cơ chế liên kết của bê tông và cốt thép : 15

2.1.1 Liên kết dựa trên các thành phần hóa học 15

2.1.2 Lực ma sát tạo liên kết 15

2.1.3 Liên kết giữa cốt thép và bê tông 16

2.2 Mô hình của bê tông 16

2.2.1 Mô hình Hsu – Hsu (1994) 16

2.3.Mô hình vật liệu thép trong mô phỏng 19

2.4.Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) 20

2.5 Mô hình kéo tuột 20

2.6 Tổng quan về ABAQUS 21

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 22

3.1 Thông số tính toán cho mô hình 22

3.1.1 Mô hình vật liệu bê tông 22

3.1.1.1 Thông số của mô hình Hsu – Hsu (1994) 22

3.1.2 Mô hình vật liệu thép 24

3.1.2.1 Thông số mô hình SEPL 24

3.1.2.2 Thông số mô hình IEPL 24

3.1.3 Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử 25

3.1.3.1 Loại phần tử mô phỏng 25

3.1.3.2 Thông số mô hình phá hoại dẻo 25

3.2.1 Xây dựng cấu kiện 26

3.2.1.1 Cấu kiện mẫu bê tông hình trụ 26

3.2.1.1.2 Đục lỗ cấu kiện 27

3.2.1.2 Cấu kiện thép chịu lực trong thí nghiệm kéo tuột 28

3.2.1.3 Cấu kiện tấm thép đệm 30

3.2.2 Định nghĩa vật liệu và gán đặc trưng vật liệu cho các cấu kiện 30

3.2.2.1 Định nghĩa vật liệu 30

3.2.2.2 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 32

3.2.2.3 Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện 32

3.2.3 Lắp ghép các cấu kiện 33

3.2.4 Định nghĩa ràng buộc 34

3.2.4.1 Giữa bê tông và đệm thép: 34

3.2.4.2 Giữa bê tông và thép chịu lực: 35

3.2.5 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 39

3.2.5.1 Định nghĩa tải trọng 39

3.2.5.2 Định nghĩa điều kiện biên 40

3.2.6 Chia lưới cho cấu kiện dầm 40

3.2.6.1 Thiết lập lưới 40

3.2.6.2 Phân chia lưới cho cấu kiệm dầm 41

3.2.7 Thiết lập các bước phân tích 41

3.2.8 Công tác phân tích 42

3.2.8.1 Định nghĩa công tác phân tích 42

3.2.8.2 Giao diện phân tích 43

3.3 Các bước mô hình hóa dầm bê tông trên phần mền ABAQUS 44

3.3.1 Xây dựng cấu kiện 44

3.3.1.1 Cấu kiện dầm bê tông 44

3.3.1.2 Cấu kiện tấm đệm thép 46

3.3.1.3 Cấu kiện cốt thép đai 47

3.3.1.4 Cấu kiện cốt thép dọc chịu lực 48

3.3.1.5 Đục lỗ dầm bê tông 49

3.3.2 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt 50

3.3.2.1 Định nghĩa vật liệu 51

3.3.2.2 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 52

3.3.2.3 Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện 53

3.3.3 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 54

3.3.3.1 Dầm bê tông 54

3.3.3.2 Đệm thép 55

3.3.3.3 Cốt thép chịu lực 55

3.3.4 Định nghĩa ràng buộc 57

3.3.4.1 Ràng buộc giữa cốt thép đai và bê tông 57

3.3.4.2 Ràng buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tông 58

3.3.4.3 Ràng buộc giữa thép chịu lực và dầm bê tông 58

3.3.4.4 Ràng buộc giữa tấm thép đệm và dầm bê tông 64

3.3.5 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 65

3.3.5.1 Định nghĩa tải trọng 65

3.3.5.2 Định nghĩa điều kiện biên 66

3.3.6 Chia lưới cho cấu kiện dầm 66

3.3.6.1 Thiết lập lưới 67

3.3.6.2 Phân chia lưới cho cấu kiệm dầm 67

3.3.7 Thiết lập các bước phân tích 68

3.3.8 Công tác phân tích 68

3.3.8.1 Định nghĩa công tác phân tích 68

3.3.8.2 Giao diện phân tích 69

3.3.9 Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình 70

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 71

4.1 Hướng nghiên cứu và so sánh 71

4.2 Kết quả mô phỏng kéo tuột của thép 71

4.3 Kết quả mô phỏng dầm bê tông bê tông 72

4.4 Đánh giá kết quả của mô hình mô phỏng 73

4.4.1 Đánh giá kết quả mô phỏng kéo tuột 73

4.4.2 Đánh giá kết quả mô phỏng dầm bê tông Geopolymer (GRCB) 76

4.4.3 Đánh giá kết quả mô phỏng dầm bê tông Xỉ (SRCB) 79

4.4.4 Đánh giá kết quả mô phỏng dầm bê tông thường (RCB) 82

4.4.5 So sánh kết quả mô phỏng cả ba nền vật liệu khác nhau 82

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, ĐÁNH GIÁ NGHIÊN CỨU VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 86

5.1 Kết luận và đánh giá 86

5.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 86

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khí nén bc và kéo bt 4

Bảng 1.2: Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông nặng và cường độ tính toán 5

Bảng 1.3: Các cường độ tính toán của bê tông khi tính theo trạng thái giới hạn thứ nhất (MPa) 5

Bảng 1.4: Môđun đàn hồi của bê tông nặng ở điều kiện đông cứng tự nhiên 6

Bảng 3.1: Thông số đặc trưng của các loại bê tông 22

Bảng 3.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu – Hsu 23

Bảng 3.3: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu – Hsu 23

Bảng 3.4: Thông số đặc trưng của cốt thép 24

Bảng 3.5: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL 24

Bảng 3.6: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL 25

Bảng 3.7: Loại phần tử mô phỏng dầm 25

Bảng 3.8: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình 25

Bảng 4.1: Kết quả nội suy các giá trị cho thép Ø14 76

Bảng 4.2: Tổng hợp kết quả Tải trọng giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông GRCB 78

Bảng 4.3: Tổng hợp kết quả Chuyển vị giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông GRCB 78

Bảng 4.4: Tổng hợp kết quả Tải trọng giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông SRCB 81

Bảng 4.5: Tổng hợp kết quả Chuyển vị giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông SRCB 81

Bảng 4.6: Tổng hợp kết quả Tải trọng giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông RCB 83

Bảng 4.7: Tổng hợp kết quả Chuyển vị giữa thực nghiệm - mô phỏng bê tông RCB 83

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông [16] 6

Hình 1.1: Quá trình trộn bê tông 8

Hình 1 2: Công tác đầm dùi 9

Hình 1 3: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm 9

Hình 1.4: Mô hình thí nghiệm cấu kiện dầm [1] 10

Hình 1 5: Thiết kế dầm tính toán [1] 10

Hình 1 6: Vị trí Strain gauge và LVDT [1] 10

Hình 1.7: Lực kéo tuột của thép gân Ø12 trong bê tông Geopolymer [17] 11

Hình 1.8: Lực kéo tuột của thép gân Ø16 trong bê tông Geopolymer [17] 11

Hình 1.9: Lực kéo tuột của thép gân Ø20 trong bê tông Geopolymer [17] 12

Hình 1.10: kết quả thực nghiệm của bê tông Geopolymer [1] 12

Hình 1.11: kết quả thực nghiệm của bê tông xỉ thép [2] 13

Hình 1.12: kết quả thực nghiệm của bê tông thường [3] 14

Hình 2.1: Cơ chế sự di chuyển của các lực liên kết [15] 15

Hình 2.2 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006) [18] 17

Hình 2.3 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus [18] 18

Hình 2.4 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu 18

Hình 2.5 – Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép [18] 19

Hình 2.6: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL) [18] 20

Hình 2.7: Lực kéo tuột của thép và bê tông Geopolymer [19] 21

Hình 3.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus 26

Hình 3.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông 27

Hình 3.3: Cửa số Edit Base Extrusion 27

Hình 3.4: Mô hình ba chiều của mẫu bê tông hình trụ 27

Hình 3.5: giao diện 2D của vị trí đục lỗ 28

Hình 3.6: Mô hình hình học ba chiều của mẫu bê tông sau khi đục lỗ 28

Hình 3.7: Cửa sổ Create Part trong Abaqus 29

Hình 3.8: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện thép chịu lực 29

Hình 3.9: Cửa số Edit Base Extrusion 30

Hình 3.10: Mô hình ba chiều của thép chịu lực 30

Hình 3.11: cấu kiện tấm thép đệm 30

Hình 3.12: Xác định thông số vật liệu bê tông 31

Hình 3.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông 32

Hình 3.14: Lựa đối tượng gán mặt cắt 33

Hình 3.15: Cửa sổ Edit Section Assignment 33

Hình 3.16: Cửa sổ Create Instance 34

Hình 3.17: Liên kết giữa bê tông và đệm thép 34

Hình 3.18: chọn phương pháp tương tác bề mặt 35

Hình 3.19: lực phá hoại lớn nhất 36

Hình 3.20: năng lượng phá hoại lớn nhất 36

Hình 3.21: hệ số của độ nhớt 37

Hình 3.22: Lựa chọn phương pháp tiếp xúc 37

Hình 3.23: Lựa chọn mặt chủ tiếp xúc 38

Hình 3.24: Lựa chọn mặt lệ thuộc tiếp xúc 38

Hình 3.25: ràng buộc giữa cốt thép và bê tông có viscosity 38

Hình 3.26: Cửa sổ Edit Boundary Condition 40

Hình 3.27: Cửa sổ Global Seeds 40

Hình 3.28: Mô hình thiết lập chia lưới 41

Hình 3.29: Thông báo về chia lưới 41

Hình 3.30: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê tông 41

Hình 3.31: Cửa sổ Edit Step 42

Hình 3.32: Cửa sổ Create Job 42

Hình 3.33: Cửa sổ Edit Job 43

Hình 3.34: Cửa sổ Job Manager 43

Hình 3.35: Cửa sổ Create Part trong Abaqus 44

Hình 3.36: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông 45

Hình 3.37: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông 45

Hình 3.38: Cửa số Edit Base Extrusion 46

Hình 3.39: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tông 46

Hình 3.40: Mô hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép 47

Hình 3.41: Mô hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép 47

Hình 3.42: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai 48

Hình 3.43: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai 48

Hình 3.44: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc 49

Hình 3.45: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc 49

Hình 3.46: giao diện 2D của vị trí đục lỗ 50

Hình 3.47: Mô hình hình học ba chiều của dầm bê tông đục lỗ 50

Hình 3.48: Xác định thông số vật liệu bê tông 51

Hình 3.49: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông 52

Hình 3.50: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép chịu lực 53

Hình 3.64: gán liên kết cho bê thông và cốt thép 61

Hình 3.65: lựa chọn mặt chủ tiếp xúc 62

Hình 3.66: lựa chọn mặt tiếp xúc lệ thuộc 62

Hình 3.67: hoàn thành gán ràng buộc giữa cốt thép và bê tông 62

Hình 3.68: Lựa chọn mặt chủ tiếp xúc 63

Hình 3.69: Lựa chọn mặt lệ thuộc tiếp xúc 63

Hình 3.70: ràng buộc giữa cốt thép và bê tông không viscosity 63

Hình 3.71: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông 64

Hình 3.72: Ràng buộc giữa tấm thép và dầm bê tông 65

Hình 3.73: Cửa sổ Edit Boundary Condition 66

Hình 3.74: Cửa sổ Global Seeds 67

Hình 3.75: Mô hình thiết lập chia lưới 67

Hình 3.76: Thông báo về chia lưới 67

Hình 3.77: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê tông 68

Hình 3.78: Cửa sổ Edit Step 68

Hình 3.79: Cửa sổ Create Job 69

Hình 3.80: Cửa sổ Edit Job 69

Hình 3.81: Cửa sổ Job Manager 70

Hình 4.1: Kết quả thực nghiệm kéo tuột (mẫu bị phá hoại) 71

Hình 4.2: Kết quả mô phỏng kéo tuột thép Ø12 72

Hình 4.3: Kết quả mô phỏng kéo tuột thép Ø16 72

Hình 4.4: Kết quả mô phỏng kéo tuột thép Ø20 72

Hình 4.5: Kết quả thí nghiệm uốn dầm (dầm phá hoại) 72

Hình 4.6: Kết quả mô phỏng dầm GRCB 73

Hình 4.7: Kết quả mô phỏng dầm SRCB 73

Hình 4.8: Kết quả mô phỏng dầm RCB 73

Hình 4.9: Kết quả so sánh mô phỏng – thực nghiệm kéo tuột thép Ø12 74

Hình 4.10: Kết quả so sánh mô phỏng – thực nghiệm kéo tuột thép Ø16 74

Hình 4.11: Kết quả so sánh mô phỏng – thực nghiệm kéo tuột thép Ø20 75

Hình 4.12: Biểu đồ nội suy lực kéo lớn nhất tnmax 75

Hình 4.13: Biểu đồ nội suy năng lượng phá hủy GIC 76

Hình 4.14: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Wire) bê tông GRCB 77

Hình 4.15: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Tie) bê tông GRCB 77

Hình 4.16: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Viscosity) bê tông GRCB 78

Hình 4.17: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Wire) bê tông SRCB 79

Hình 4.18: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Tie) bê tông SRCB 80

Hình 4.19: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Viscosity) bê tông SRCB 80

Hình 4.20: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Tie) bê tông RCB 82

Hình 4.21: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Wire) bê tông RCB 82

Hình 4.22: Biểu đồ so sánh thực nghiệm – Mô phỏng (Viscosity) bê tông RCB 83

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

A.Tổng quan chung

1.1 Tóm tắt tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Sự tăng trưởng nhanh của nền kinh tế nước ta đã thúc đẩy mạnh mẽ tốc độ phát triển của ngành xây dựng về số lượng và đa dạng loại hình kết cấu Các kết cấu làm nhà cao tầng, nhà nhịp lớp, hệ thanh ngày càng xuất hiện nhiều ở Việt Nam và các nước trên thế giới Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) ngày nay đang được sử dụng rộng rãi và rất có hiệu quả

Hiện tại trong nước [1-4] và ngoài nước [5-9] có nhiều tác giả nghiên cứu về các tiết diện cấu kiện dầm khác nhau như chữ nhật, I, T, tiết diện tròn, hộp rỗng Đặc biệt dầm chữ nhật tiết diện không đổi được sử dụng nhiều như dầm cầu trục, dầm mái,… trong nhà cao tầng, vì vậy việc mô phỏng các giá trị chịu lực của dầm cần được quan tâm nghiên cứu

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép bằng các phần mềm hiện đại ngày càng trở nên phổ biến và góp một vai trò quan trọng trong quá trình tính toán cũng như nghiên cứu [10-14] Việc mô phỏng rút ngắn được thời gian tính toán so với việc phải làm thực nghiệm cũng giúp giảm được một phần yếu tố kinh tế Tuy nhiên việc chênh lệch giữa các giá trị Mô phỏng – Tính toán – Thực nghiệm, vẫn đang còn là điều tồn tại Một trong các nguyên nhân gây ra sự sai lệch đó có thể là khi mô phỏng các tác giả chưa đề cập đến sự bám dính không hoàn toàn giữa bê tông và cốt thép Chính vì vậy, đề tài này cũng mong muốn phần nào thể hiện được sự bám dính không hoàn toàn giữa bê tông và cốt thép có vai trò như thế nào trong việc mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép Qua đó Giúp cho việc mô phỏng các cấu kiện

bê tông cốt thép có được kết quả chính xác hơn

1.3 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Kiểm tra được kết quả mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật, sử dụng nhiều loại vật liệu bê tông khác nhau như: bê tông thường, bê tông Geopolymer, bê tông xỉ thép… sao cho kết quả bằng phương pháp

mô phỏng tiệm cận nhất với thực nghiệm

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng Nghiên cứu:

Các dầm bê tông cốt thép dài 3m kích thước tiết diện 200 x 300 mm

Các cấu kiện dầm bê tông cốt thép được sử dụng có nhiều loại gồm: bê tông cốt thép thường và bê tông Geopolymer, bê tông xỉ thép…

Phạm vi nghiên cứu:

Nhằm kiểm tra mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của các cấu kiện dầm bê tông cốt thép thường và bê tông Geopolymer khi mô phỏng có tính đến sự bám dính không hoàn toàn giữa bê tông và cốt thép khi cấu kiện bị phá hoại có gần với kết quả thực nghiệm hay không

So sánh kết quả thu được khi mô phỏng với những kết quả đã được tính toán thiết

kế cũng như kiểm nghiệm qua quá trình thực nghiệm Sau đó có thể đối chiếu với các tiêu chuẩn

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm phân tích và mô phỏng các cấu kiện bê tông cốt thép Abaqus để mô phỏng dầm bê tông cốt thép thể hiện sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi cấu kiện bị phá hoại Kết hợp giữa các kết quả lập trình tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm Nghiên cứu đề xuất đưa ra được giải pháp ứng dụng vào công tác học tập cũng như nghiên cứu tại Việt Nam

1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Tính thực tiễn của đề tài:

Hiện tại có rất nhiều các tác giả nghiên cứu sự phá hoại của bê tông cốt thép nhưng khi mô phỏng lại xuất ra được kết quả chưa thật chính xác nhất so với tính toán thiết kế cũng như thực nghiệm, chính vì vậy đề tài này nhằm mục đích thực tiễn nhất chính là làm sáng tỏ vấn đề này

Đánh giá sự bám dính giữa bê tông và cốt thép trên các nền vật liệu khác nhau

Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong công tác tính toán mô phỏng Các kết quả nghiên cứu cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các đơn vị xây dựng công trình, các nhà quản lý, làm tài liệu tham khảo cho công tác học tập ở bậc đại học và sau đại học

B.Tổng quan về bê tông cốt thép

1.7 Tính chất của bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phức hợp do hai loại vật liệu là bê tông và cốt thép có đặc trưng cơ học khác nhau cùng phối hợp chịu lực với nhau

Bê tông là loại vật liệu phức hợp bao gồm xi măng (chất kết dính), cát, sỏi - đá (cốt liệu) kết lại với nhau dưới tác dụng của nước Cường độ chịu kéo của bê tông nhỏ hơn cường độ chịu nén rất nhiều (8 -15 lần)

Cốt thép là loại vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều rất tốt Do đó nếu đặt lượng cốt thép thích hợp vào tiết diện của kết cấu thì khả năng chịu lực của kết cấu tăng lên rất nhiều Dầm bê tông cốt thép có thể có khả năng chịu lực lớn hơn dầm bê tông có cùng kích thước đến gần 20 lần

Bê tông và cốt thép cùng làm việc được với nhau là do:

+ Bê tông khi đóng rắn lại thì dính chặt với thép cho nên ứng lực có thể truyền từ vật liệu này sang vật liệu kia, lực dính có được đảm bảo đầy đủ thì khả năng chịu lực của thép mới được khai thác triệt để

+ Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hóa học, ngoài ra hệ

số giãn nở của cốt thép và bê tông suýt soát bằng nhau:

∝s = 0.000012 ; ∝b =0.000010-0.000015

1.8 Lực bám dính giữa bê tông và cốt thép

Lực dính bám giữa bê tông và cốt thép: lực này hình thành trong quá trình đông cứng của bê tông và giúp cốt thép không bị tuột khỏi bê tông trong quá trình chịu lực

Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có Lực dính bám khá lớn nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược lại Lực dính bám có rất quan trọng đối với bê

bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép

Giữa bê tông và cốt thép không có phản ứng hóa học làm ảnh hưởng đến từng loại vật liệu, ngoài ra do cốt thép đặt bên trong bê tông nên còn được bê tông bảo vệ khỏi ăn mòn do tác động môi trường

Vì bê tông và cốt thép có hệ số giãn nở nhiệt xấp xỉ nhau, do đó phạm vi biến đổi nhiệt độ thông thường (dưới 100°C) không làm ảnh hưởng tới sự kết hợp bên trong giữa bê tông và cốt thép

1.9 Tính chất cơ lý của bê tông cốt thép

Các tính chất cơ lý của bê tông cốt thép được tham khảo TCXDVN 5574:2012

“Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép” [15-16]

Cấp độ bền của bê tông

Khi thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép cần chỉ định chỉ tiêu chất lượng về cấp độ bền chịu nén B của bê tông và cấp độ bền chịu kéo bê tông

Các đặc trưng tiêu chuẩn và đặc trưng tính toán của bê tông

Các loại cường độ tiêu chuẩn của bê tông bao gồm cường độ khi nén dọc trục mẫu lăng trụ (cường độ lăng trụ) Rbn và cường độ khi kéo dọc trục Rbtn

Các cường độ tính toán của bê tông khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ nhất Rb , Rbt và theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser , Rbt,ser được xác định bằng cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê tông tương ứng khi nén γbc và khi kéo γbt Các giá trị của hệ số γbc và γbt của một số loại bê tông cho trong bảng 1

Bảng 1.1: Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khí nén bc và kéo bt[16]

Cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi nén dọc trục Rbn tùy theo cấp độ bền chịu nén của bê tông và cường độ tiêu chuẩn của bê tông khi kéo dọc trục Rbtn được cho trong bảng dưới

Bảng 1.2: Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông nặng và cường độ tính toán [16]

Các cường độ tính toán của bê tông Rb , Rbt , Rb,ser , Rbt,ser (đã làm tròn) tùy thuộc vào cấp độ bền chịu nén và kéo dọc trục của bê tông cho trong bảng 3 khi tính theo các trạng thái giới hạn thứ nhất và bảng 2 khi tính toán theo các trạng thái giới hạn thứ hai

Bảng 1.3: Các cường độ tính toán của bê tông khi tính theo trạng thái

giới hạn thứ nhất (MPa) [16]

Biến dạng đàn hồi của bê tông

Khi chịu nén môđun đàn hồi ban đầu của bê tông Eb được định nghĩa theo biểu thức sau:

0

b b b

Hình 1.1: Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông [16]

Hệ số nở ngang (hệ số poission) của bê tông μb lấy bằng 0,2 Môđun chống cắt của bê tông Gb = 0,4Eb

Bảng 1.4: Môđun đàn hồi của bê tông nặng ở điều kiện đông cứng tự nhiên [16]

1.10 Ưu điểm của bê tông cốt thép

Kết cấu bê tông cốt thép (cũng như kết cấu bê tông) được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau:

+ Giá thành thấp: bê tông được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu sẵn có như đá, sỏi, cát Các vật liệu khác như xi măng, thép đắt tiền hơn nhưng chỉ chiếm

tỷ trọng khoảng 1/6 đến 1/5 tổng khối lượng

+ Khả năng chịu lực lớn: khả năng chịu lực của bê tông cốt thép lớn hơn rất nhiều

so với các dạng vật liệu khác như gạch, đá, gỗ Hơn nữa, khác với các loại vật liệu xây dựng có nguồn gốc tự nhiên, bê tông cốt thép là vật liệu nhân tạo nên thông qua việc chế tạo có thể lựa chọn các tính năng mong muốn

+ Độ bền cao: bê tông là một loại đá do đó có khả năng chịu ăn mòn, xâm thực từ môi trường cao hơn các vật liệu như thép, gỗ Chi phí bảo dưỡng do đó cũng thấp hơn

+ Khả năng tạo hình khối dễ dàng: trước khi đông cứng thì bê tông ở dạng hỗn hợp lỏng và dẻo nên có khả năng tạo các hình khối phù hợp yêu cầu kiến trúc nhờ

vào hệ thống ván khuôn

+ Khả năng chống cháy tốt: trong ngưỡng dưới 400°C thì cường độ của bê tông không bị suy giảm đáng kể, hệ số dẫn nhiệt của bê tông cũng thấp nên giúp bảo vệ cốt thép ở nhiệt độ cao

1.11 Ứng dụng của bê tông cốt thép

Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực xây dựng dân dụng và xây dựng công trình giao thông như nhà ở, cầu, đường, nhà xưởng công nghiệp, sân bay, thủy lợi Tại Việt Nam, theo các thống kê chưa đầy đủ các công trình xây dựng từ kết cấu bê tông cốt thép chiếm 70% tổng số công trình xây dựng Một số dạng kết cấu bê tông điển hình:

- Nhà cao tầng: Là dạng công trình phổ biến nhất sử dụng kết cấu bê tông cốt thép Độ cứng lớn của bê tông cốt thép cho phép rất thích hợp khi chịu tải trọng ngang như gió

- Cầu: Nhờ những ưu điểm về tuổi thọ, khả năng chống ăn mòn cao nên bê tông cốt thép được sử dụng rất phổ biến trong xây dựng cầu, do các công trình cầu phải chịu ảnh hưởng nhiều tác động và ảnh hưởng của môi trường hơn công trình nhà

1.12 Vai trò chịu lực của cốt thép trong bê tông

Một dầm bê tông không có cốt thép sẽ sụp đổ , một hệ thống sàn không cốt thép sẽ không tồn tại, ngay cả cột không có cốt thép cũng luôn đứng trước nguy cơ gãy đổ Vậy nên cốt thép có vai trò rất quan trọng trong kết cấu bê tông cốt thép

Tác dụng của cốt thép trong bê tông là chịu lực kéo , do bê tông có sức chịu nén tốt, nhưng lại hầu như không chống được lực cắt , kéo Trong khi đó, các cấu kiện như dầm , sàn, cột đều không chỉ có yêu cầu chống lại lực nén mà phải chống cả lực cắt, kéo tốt Trong bê tông , có một số loại cốt thép được gọi tên theo vai trò làm việc như:

Cốt thép chịu lực : Dùng để chống lại lực kéo trong các cấu kiện chịu uốn như dầm hoặc trong các cấu kiện chịu lực kéo Cốt thép phân phối : Cốt thép được dùng trong dầm để chống lại các lực phụ và cục bộ, có thể chưa được tính toán hết trong quá trình thiết kế Nó còn có tác dụng phân phối đều tải trọng trên sàn và định vị

các cốt thép chịu lực

Cốt thép đai : Cốt thép dùng trong dầm cột , đảm bảo vị trí của cốt thép chụi lực không xê dịch, đồng thời lại có tác dụng chống lại ứng lực chính của từng bộ phận một

Cốt thép cấu tạo : Dùng để giữ vị trí các thanh thép chịu lực và làm toàn bộ cốt thép thành một bộ khung vững chắc, tăng sự ổn định của sàn hay dầm

1.13 Các thí nghiệm để khảo sát tính dính bám giữa bê tông và cốt thép

1.13.1 Những mô hình thực nghiệm cơ sở

Hiện tại có rất nhiều nhà nghiên cứu đã và đang nghiên cứu khả năng chịu lực của

bê tông cốt thép với nhiều loại vật liệu tạo nên nhiều loại bê tông cốt thép khác nhau[1-4], trên cơ sở các nghiên cứu đó đề tài này sẽ sử dụng những kết quả nghiên cứu thực nghiệm đó để mô phỏng lại bằng phương pháp phần tử hữu hạn có đề cập đến sự bám dính không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép để giúp kết quả mô phỏng gần hơn với thực nghiệm

Hình 1.1: Quá trình trộn bê tông

Hình 1 2: Công tác đầm dùi

Dùng búa gõ nhẹ xung quanh thành khuôn cho nước xi măng chảy đều tránh rổ mặt khi tháo khuôn Dùng bay xoa phẳng mặt khuôn Ghi nhãn (hạng mục, ký hiệu mẫu, ngày đúc, mác, người đúc) và đem dưỡng hộ Mẫu sau khi dưỡng hộ đủ ngày sẽ làm thí nghiệm nén, mặt chịu nén phải là mặt tiếp xúc với thành khuôn

Hình 1 3: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm

1.13.3 Kiểm tra mẫu thử

Tất cả các cấu kiện dầm đều được tiến hành thí nghiệm tại phòng 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 tông 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: Mô 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 Còn bê tông 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 toán [1]

Hình 1 6: Vị trí Strain gauge và LVDT [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 thông số lực kéo tuột lớn nhất, năng lượng phá hoại của bê tông Geopolymer ta sử dụng phương pháp mô phỏng lại nghiên cứu về sự bám dính giữa

bê tông 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 thông số dính bám của thép gân Ø14 để áp dụng vào mô phỏng dầm bê tông

Hình 1.7: Lực kéo tuột của thép gân Ø12 trong bê tông Geopolymer [17]

Hình 1.8: Lực kéo tuột của thép gân Ø16 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

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

 Kết quả thực nghiệm của dầm Geopolymer

Hình 1.10: kết quả thực nghiệm của bê tông Geopolymer [1]

Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ thép

Thành phần cấp phối cho cấu kiện dầm bê tông xỉ thép

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

 Mô hình thực nghiệm của dầm bê tông 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 tông thường sử dụng bê tông 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

 Kết quả thực nghiệm của dầm bê tông thường

Hình 1.12: kết quả thực nghiệm của bê tông thường [3]

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 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 tông 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 thông 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 tông qua đó giúp cho bê tông 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 vuông góc với bề mặt tiếp xúc và độ nhám của mặt tiếp xúc Lực ma sát trong các cấu trúc bê tông cốt thép có thể là kết quả của lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, lực nén bên ngoài vuông 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 tông 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 tông giữ vai trò 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 tông và cốt thép, trong đó lực bám dính và lực ma sát đóng vai trò 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 tông và cốt thép cũng như lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc của bê tông và cốt thép

2.2 Mô hình của bê tông

Đối với bê tông thì các nhà nghiên cứu đã đưa ra được hai mô hình dạng biểu đồ dành cho bê tông đó là mô hình chịu nén của bê tông và mô hình chịu kéo của bê tông

Các mô hình thể hiện hành vi chịu kéo - nén của bê tông thì được thể hiện trong rất nhiều các quy phạm, tiêu chuẩn về xây dựng ở trên thế giới Những mô hình này thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng trong cấu kiện bê tông

2.2.1 Mô hình Hsu – Hsu (1994)

Mô hình Hsu – Hsu [18] mô tả tính chất phi tuyến của vật liệu bê tông, dựa trên

mô hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông: vết nứt chịu kéo, cường độ chịu nén phá hủy Tương tự trong đường cong của phần mền Abaqus đề xuất Mô hình dựa trên cường độ chịu nén dọc trục và chịu kéo dọc trục

để mô tả tính chất bê tông Từ đó đưa ra hai đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng chịu kéo và chịu nén của bê tông để mô tả tính chất bê tông khi làm việc

Mô hình số cho ứng xử chịu kéo của bê tông

Mô 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 toán trong phần mền Abaqus Do đó, chúng tôi ứng dụng mô hình này để thể hiện ứng xử chịu kéo của bê tông Mô 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 Mô hình độ cứng chịu kéo cho bê tông cốt thép được đề xuất Hsu-Hsu (1994) được minh họa hình 3 Mô 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 - Mô hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006) [19] Việc sửa đổi mô 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 - Mô hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus [19]

Mô 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 mô 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 Mô hình tính toán này có thể tính toán 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

Hình 2.4 – Mô hình đường cong nén bê tông theo Hsu – Hsu [18]

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

Mô hình phương pháp Hsu – Hsu tính toán 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)

2.3 Mô hình vật liệu thép trong mô 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)

Hình 2.5 – Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép [18]

Tuy vậy, trong tính toán 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 toán, mô 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 mô hình thép theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều: Mô hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng 2.4 Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL)

Mô 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 mô hình thép (SEPL) [18] 2.5 Mô hình bám dính

Mô 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 mô hình này xác định được các thông số: Lực kéo lớn nhất tnmax , Và năng lượng phá hủy GIC được tính bằng diện

tích vùng phá hủy

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 mô phỏng công 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 môn phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô 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 mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện

áp

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu : ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công 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

mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới…

ABAQUS/Viewer dùng để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

CHƯƠNG 3: THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

3.1 Thông số tính toán cho mô hình

3.1.1 Mô hình vật liệu bê tông

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 công thức tính toán các thông số của mô hình vật liệu bê tông ở chương 2 Các thông số tính toán 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 toán 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

Bê tông Geopolymer

Từ thông số đặc trưng vật liệu của bê tông thường, bê tông xỉ và bê tông Geopolymer, có thể tính các thông số đầu vào cho mô hình vật liệu bê tông theo hai

mô hình số vật liệu bê tông được phát triển bởi Hsu – Hsu (1994)

3.1.1.1 Thông số của mô hình Hsu – Hsu (1994)

Mô hình Hsu – Hsu gồm có hai thông 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 mô hình Hsu – Hsu được trình bày ở mục 2.2.1

Bảng 3.2: Thông số miền chịu nén của mô hình Hsu – Hsu

Mô hình vật liệu bê

( )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: Thông số miền chịu kéo của mô hình Hsu – Hsu

Mô hình vật liệu bê

( )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 Mô hình vật liệu thép

Các thông số tính toán 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)

Từ thông số đặc trưng cốt thép trong bảng 4.6 , Chúng ta có thể tính toán các thông số tính toán đưa vào mô hình Có hai loại mô hình trong mô tả vật liệu cốt thép trong đề tài này là: mô hình SEPL và mô hình IEPL

3.1.2.1 Thông số mô hình SEPL

Trong mô hình vật liệu SEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng đường quan hệ ứng suất và biến dạng thông qua các thông số: modul đàn hồi Es, hệ số poission ʋs, cường độ chịu kéo f y

Bảng 3.5: Thông số đặc trưng của mô hình SEPL [3]

3.1.2.2 Thông số mô hình IEPL

Trong mô hình vật liệu IEPL, tính chất cốt thép được mô tả bằng đường quan hệ ứng suất và biến dạng tương tự với mô hình SEPL qua các thông số: modul đàn hồi

Es, hệ số poission Ʋs, cường độ chịu kéo fy, cường độ chịu nén fu, biến dạng chịu kéo cực hạn Ɛu

Bảng 3.6: Thông số đặc trưng của mô hình IEPL [3]

Đệm thép

3.1.3.2 Thông số mô hình phá hoại dẻo

Trong mô phỏng theo mô hình phá hoại dẻo ngoài các thông số để mô tả tính chất vật liệu bê tông, vật liệu cốt thép Mô hình cần phải có thông số dẻo thông số này được trình bày ở sau:

Bảng 3.8: Thông số mô hình phá hoại dẻo mô hình [3]

c

K  b0 /c0  

3.2 Các bước mô hình hóa thí nghiệm kéo tuột trên phần mền ABAQUS

Mô phỏng thí nghiệm kéo tuột trên phần mềm Abaqus nhằm mục đích truy xuất ra những giá trị lực kéo lớn nhất, năng lượng phá hoại và hệ số độ nhớt của các bê tông Geopolymer Qua đó sử dụng các thông số này đưa vào việc mô phỏng dầm bê tông Geopolymer có đề cập đến liên kết không hoàn hảo giữa bê tông và cốt thép khi dầm bị phá hoại

3.2.1 Xây dựng cấu kiện

Việc xây dựng các cấu kiện, từ modul trên thanh trong môi trường làm việc của phần mền Abaqus và lựa chọn công năng Part trên thanh modul

3.2.1.1 Cấu kiện mẫu bê tông hình trụ

3.2.1.1.1 Xây dựng cấu kiện

Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) Sau đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 3.1 Trong của số này Name (đặt tên cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử dụng dạng Solid, loại Extrusion, sắp xỉ phần tử 3)

Hình 3.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus

Vẽ hình hai chiều

Sau khi khởi tạo giao diện vẽ đồ họa hai chiều, nhấn biểu tượng (Create circle) để vẽ đường kính của mẫu thử bằng 0.15 (m) như hình 3.2

Hình 3.2: Mô hình hình học hai chiều cấu kiện bê tông

Vẽ hình ba chiều

Sau khi hoàn thành vẽ đường kính của mẫu bê tông, vùng thông báo hiển thị như hình 3.3, nhấn nút Done xuất hiện của sổ Edit Base Extrusion (thiếp lập Depth chiều cao của mẫu bê tông hình trụ), sau đó nhấn OK để xác nhận và thoát khỏi cửa sổ

Mô hình dầm bê tông sau khi hoàn thành như hình 3.4

Hình 3.3: Cửa số Edit Base Extrusion

Hình 3.4: Mô hình ba chiều của mẫu bê tông hình trụ

3.2.1.1.2 Đục lỗ cấu kiện

Đục lỗ cấu kiện bê tông sẽ tương ứng với 3 loại thép là Ø12, Ø16, Ø20 mà thí nghiệm kéo tuột đã được nêu ở trên

Thực hiện thao tác 2D

Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create cut: extrude) Sau đó chọn mặt cần cắt để đục lỗ trên mẫu bê tông tương ứng với tiết diện và đường kính lỗ đục tương ứng với loại thép trong mô hình mô phỏng

Hình 3.5: giao diện 2D của vị trí đục lỗ

Vẽ hình ba chiều

Sau khi hoàn thành khởi tạo mô hình hai chiều Nhấn nút Done trên vùng thông báo và chọn “Through all/ok”, mô hình ba dầm bê tông đục lỗ sau khi hoàn thành cho như hình

Hình 3.6: Mô hình hình học ba chiều của mẫu bê tông sau khi đục lỗ

3.2.1.2 Cấu kiện thép chịu lực trong thí nghiệm kéo tuột

Cấu kiện thép chịu lực trong mô phỏng thí nghiệm kéo tuột cũng tương ứng với 3 loại thép Ø12, Ø16, Ø20 mà thí nghiệm đã thực hiện

Xây dựng cấu kiện

Trên vùng công cụ sử dụng biểu tượng (Create Part) Sau đó xuất hiện cửa sổ Create Part như hình 3.7 Trong cửa số này Name (đặt tên cấu kiện, Modeling Space (sử dụng đối tượng mô phỏng 3D), Type (loại phần tử sử dụng phần tử deformable), Base Feature (trong mục này chúng ta sử dụng dạng Solid, loại Extrusion, xấp xỉ phần tử 3)

Hình 3.7: Cửa sổ Create Part trong Abaqus