Xây dựng mô hình tính khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn

Tuy nhiên, vẫn ít các đề tài nghiên cứu đến sự suy giảm khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn Mn.. Với các lý do trên, tôi chọn đề tài “Xây dựng mô hình tính khả năng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN ĐÌNH MẠNH LINH

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH

KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA CẤU KIỆN

BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2015

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Đào Ngọc Thế Lực

Phản biện 1: PGS.TS Trương Hoài Chính

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật họp tại Đại Học Đà Nẵng vào ngày 22 tháng 08 năm 2015

Có thể tìm hiểu Luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Hiện tượng giảm cường độ các công trình bằng bê tông cốt thép

do sự xâm thực của các tác nhân ăn mòn ngày càng mang tính cấp thiết

Hiện tại, có rất nhiều đề tài nghiên cứu các khía cạnh của sự ăn mòn như: tốc độ ăn mòn, sự hình thành và phát triển vết nứt, sự suy giảm lực dính giữa bê tông và cốt thép Tuy nhiên, vẫn ít các đề tài nghiên cứu đến sự suy giảm khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn (Mn) Vì vậy, trong luận văn này tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu khía cạnh này

Trong các bài toán kiểm tra khả năng chịu lực thông thường thì các yếu tố đầu vào như đặc trưng vật liệu, đặc trưng hình học, tải trọng,

độ ăn mòn,….là các số xác định Tuy nhiên, trong bài toán thực tế các yếu tố đầu vào không phải là các số xác định mà là các biến ngẫu nhiên Vì thế bài toán xác định độ tin cậy được sử dụng sẽ phù hợp hơn với thực tiễn

Từ trước đến nay, để tính toán các bài toán độ tin cậy trong trường hợp khó xác định được hàm phá hủy thì người ta thường dùng phương pháp mô phỏng Monte Carlo Nhược điểm của phương pháp này là để kết quả có độ tin cậy cao thì không gian mẫu của dữ liệu đầu vào phải lớn Điều này dẫn đến khối lượng tính toán cực kỳ lớn và không khả thi đối với cả máy tính có cấu hình mạnh nhất Sử dụng kết hợp phương pháp Neural Network và Monte Carlo có thể giải quyết được vấn đề nan giải đó

Với các lý do trên, tôi chọn đề tài “Xây dựng mô hình tính khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng quan các mô hình tính khả năng chịu uốn của dầm bê tông

cốt thép hiện tại (Mn), nổi bật các vấn đề cần được giải quyết

Tổng quan các phương pháp tính độ tin cậy của kết cấu bê tông

cốt thép Chỉ ra ưu nhược điểm của từng phương pháp

Xây dựng mô hình tính khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn (Mn) So sánh kết quả tính toán của mô hình so với kết

quả của thí nghiệm cùng với kết quả của các mô hình hiện tại

Tính độ tin cậy kết cấu bê tông cốt thép bằng phương pháp

Neutral Network kết hợp mô phỏng Monte Carlo

Xây dựng chương trình Matlab tính toán Mn trong bài toán biến

xác định và bài toán biến ngẫu nhiên (độ tin cậy)

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Đối tượng nghiên cứu

Dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn

 Phạm vi nghiên cứu

Khả năng chịu uốn của cấu kiện dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn

4 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào các nghiên cứu, tài liệu, bài báo khoa học và các kết quả thí nghiệm đã được công bố trước đây, lập mô hình tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn (Mn), so sánh kết quả với thực nghiệm

Sử dụng công cụ Neural Network cùng với một số công cụ khác của phần mềm Matlab để xây dựng chương trình tính toán độ tin cậy của cấu kiện dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn

6 Bố cục đề tài

Đề tài gồm có 3 chương:

Chương 1: Tổng quan đề tài Trong chương này, luận văn sẽ đề cập sơ lược những vấn đề về ăn mòn cũng như các đề tài đã và đang nghiên cứu trong lĩnh vực này

Chương 2: Xây dựng mô hình tính toán khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép bị ăn mòn Chương này sẽ đề cập chi tiết việc xây dựng mô hình tính khả năng chịu uốn trong trường hợp biến ngẫu nhiên và biến xác định Ngoài ra, tác giả sẽ giới thiệu sơ đồ thuật toán của những mô hình này

Chương 3: Xác thực mô hình và khảo sát tham số Trong chương này, mô hình sẽ được xác thực với một số kết quả thí nghiệm

để chứng minh độ tin cậy Ngoài ra , một số tham số sẽ được khảo sát

để làm rõ sự ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện

1.2 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ĂN MÒN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.2.1 Nghiên cứu bằng thí nghiệm

a Thí nghiệm của Liu Y, Weyers RE [9]

b Thí nghiệm của Oh BH, Kim KH, Jang BS [11]

c Thí nghiệm của Al-Sulaimani và các cộng sự [2]

d Thí nghiệm của Amleh L, Mirza L [3]

e Đặc điểm nghiên cứu bằng thí nghiệm

1.2.2 Mô hình phần tử hữu hạn

a Mô hình của Bong Seok Jang , Byung Hwan Oh [4]

b Đặc điểm của các mô hình phần tử hữu hạn

1.3 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU

1.3.1 Mô phỏng Monte Carlo

1.3.2 Phương pháp Neural Network kết hợp mô phỏng Monte Carlo

a Giới thiệu mạng Neural Network

ở xung quanh cốt thép thì sẽ xảy ra quá trình ăn mòn điện hóa Sản phẩm ăn mòn sinh ra có thể là FeO, Fe2O3, Fe3O4, Fe(OH)2, Fe(OH)3, Fe(OH)3.3H2O

Các sản phẩm ăn mòn sinh ra có thể tích lớn hơn thép ban đầu nên sẽ gây ra áp lực ăn mòn ở mặt tiếp xúc cốt thép và bê tông Áp lực này là nguyên nhân gây ra sự hình thành và phát triển vết nứt trong lòng kết cấu bê tông Bê tông nứt dẫn đến khả năng kìm hãm của bê tông và cốt thép giảm, mặt khác hệ số ma sát giữa bê tông và cốt thép

bị ăn mòn giảm do sản phẩm ăn mòn bao quanh cốt thép Những điều này dẫn đến lực dính suy giảm và kết cấu bị phá hoại

Hiện nay, sự nghiên cứu về ứng xử của kết cấu đối với các tác nhân ăn mòn chủ yếu trong 3 nhóm chính: nghiên cứu bằng thí nghiệm,

mô hình hóa kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, mô hình hóa kết cấu bằng các phương trình giải tích

Phương pháp thí nghiệm có ưu điểm là phản ánh sự làm việc thực tế của kết cấu, có độ tin cậy cao Tuy nhiên, phương pháp có nhiều nhược điểm là: không khái quát mối liên quan giữa các tham số, kết quả chỉ đúng trong phạm vi điều kiện của thí nghiệm và chi phí cao Bởi vậy, để khái quát sử dụng cho nhiều trường hợp cần có phương pháp phân tích bằng các mô hình,

Phương pháp mô hình hóa kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm là giải quyết được nhiều vấn đề ăn mòn phức tạp Tuy thế, việc thực hiện phương pháp này rất khó khăn, nhất là khi các yếu tố đầu vào là phức tạp như bài toán ăn mòn Vì vậy, phương pháp này chỉ phù hợp với những người nghiên cứu chuyên sâu, không thích hợp cho các kỹ sư thực hành

Phương pháp mô hình hóa bằng các phương trình giải tích đưa

ra được các công thức tường minh, đơn giản hóa các vấn đề phức tạp nên phù hợp cho những người nghiên cứu chuyên sâu lẫn các kỹ sư thực hành

Trong chương này, tác giả cũng đã giới thiệu 2 phương pháp tính toán độ tin cậy của kết cấu Phương pháp Monte Carlo có ưu điểm

là giải quyết được những bài toán trong trường hợp không tìm được hàm phá hủy tường minh Tuy vậy, phương pháp này là không khả thi nếu số lượng biến đầu vào lớn Để khắc phục nhược điểm phương pháp này, trong luận văn sử dụng mô phỏng Monte Carlo kết hợp mạng ANN để tính toán độ tin cậy của kết cấu BTCT bị ăn mòn Trong chương tiếp theo của luận văn, tác giả sẽ trình bày chi tiết hơn về việc xây dựng mô hình tính khả năng chịu uốn của cấu kiện bê

tông cốt thép bị ăn mòn cũng như việc giải quyết bài toán trong trường hợp biến đầu vào là ngẫu nhiên

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU

UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN

2.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH KHẢ NĂNG CHỊU UỐN CỦA

DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN

2.1.1 Mô hình nứt

Mô hình nứt được xây dựng dựa trên mô hình hình trụ thành

dày xem sự hình thành và phát triển vết nứt chỉ giới hạn trong một

vùng bê tông có bán kính tính từ tâm cốt thép là Rc Giả thiết sự ăn

mòn là đều xung quanh bề mặt cốt thép, tỉ số giữa thể tích sản phẩm

ăn mòn sinh ra và thể tích thép bị mất đi được gọi là hệ số ăn mòn, ký

hiệu n Tùy theo từng sản phẩm ăn mòn mà hệ số ăn mòn là khác nhau

Bởi hệ số ăn mòn lớn hơn 1 nên sẽ sinh ra áp lực ăn mòn pcor, từ đó

gây ra sự phát triển vết nứt với bán kính Ri

Các thông số hình học của thanh cốt thép có gờ và sự tương tác

cơ học của nó đối với bê tông ở trạng thái bị phá hủy được thể hiện ở

Hình 2.11

Các thông số được giả thiết trong mô hình lực dính

45o 0,96db 0,6db 0,07dx 25o 0,398 0,618 

Hình 2.2 Các thông số hình học và sự tương tác cơ học giữa thanh

cốt thép có gờ và bê tông ở trạng thái bị phá hủy

Mô hình trong luận văn dựa trên các giả thiết sau:

Tại thời điểm lực P gây phá hoại lực dính giữa bê tông và cốt

thép thì phân tố bê tông tại điểm đạt giới hạn phá hủy; trong đó điểm

A là điểm cách mặt cốt thép một khoảng 3hx

Ứng suất là phân bố đều ở điểm A

Điều kiện phá hủy Ottosen (xem Hình 10) được ứng dụng để

tính toán sự phá hủy của phân tố bê tông dưới tác dụng của ứng suất

đa trục Phân tố A bắt đầu bị phá hủy nếu biểu thức (21) đúng Các hệ

số A B, ,   ( ) được lấy theo

Lực dính giữa bê tông và cốt thép kể đến ảnh hưởng của cốt

thép đai Trong đó Ksv được tính theo

.

total bu K sv

2.1.3 Mô hình tính khả năng chịu uốn

Nếu tổng lực dính trên chiều dài đoạn neo của cốt thép bị ăn

mòn lớn hơn lực gây chảy dẻo cốt thép thì cấu kiện bị phá hoại do cốt

thép đạt tới cường độ chịu kéo Ngược lại cấu kiện sẽ bị phá hoại do

sự tụt neo cốt thép Giả thiết rằng lực dính phân bố đều trên suốt bề

Hình 2.3 Mặt cắt tiết diện cấu kiện được phân tích trong mô hình

Tc Ts

Cc Cs

Tc Ts

Cc Cs

c

b

h0 h

d'

mặt của chiều dài đoạn neo cốt thép, lực kéo lớn nhất tác dụng lên cốt

thép có thể được tính bằng công thức (2-1) hoặc (2-2) [17]

Theo Hình 2.3, biến dạng kéo của cốt thép tại thời điểm phá

hủy cấu kiện được tính bằng (2-3) hoặc (2-4) [17]

s s



Sự phân bố phi tuyến của ứng suất bê tông trong vùng nén được

quy về phân bố đều Trong trường hợp . 2.

4

x total x d y

1 3

d

   , vì không xác định được

s

 nên không thể tính được t từ công thức (2-4) Vì thế giả thiết rằng

trường hợp này t co và các hệ số quy đổi 1, 1 được tính theo công

   , t là đại lượng chưa biết Vì thế để tính được t ta sử dụng vòng lặp chọn chiều cao vùng nén c,

tính các đại lượng liên quan Kiểm tra điều kiện thỏa mãn theo (2-15)

Nếu thỏa mãn thì c chọn là đại lượng cần tìm Từ đó tính được t theo

(2-4)

Ở trường hợp . 2.

4

x total x d y

d

   , slà đại lượng chưa biết, t

được giả thiết bằng co Để tính được s, ta sử dụng vòng lặp chọn giá

trị chiều cao vùng nén c, tính các đại lượng liên quan Kiểm tra điều

kiện, nếu thỏa mãn thì c chọn là đại lượng cần tìm Từ đó ta tính được

s

 theo (2-4)

Vậy khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn

được tính bởi công thức (2-16)

a Sơ đồ thuật toán chương trình chính

b Sơ đồ thuật toán chương trình con tính lực dính

c Sơ đồ thuật toán chương trình con tính Mn

2.2.3 Bài toán độ tin cậy

a Tạo và train mạng Neural Network

b Sơ đồ thuật toán tính độ tin cậy

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này, luận văn đã đề cập đến một số vấn đề sau:

 Xây dựng mô hình tính áp lực ăn mòn ở tương ứng với mỗi cấp độ ăn mòn dựa trên mô hình hình trụ thành dày (thick wall cylinder) theo mục 2.1.1 (mô hình 1)

 Xây dựng mô hình tính lực dính giữa bê tông và cốt thép không kể đến áp lực ăn mòn ở mục 2.1.2 (mô hình 2)

 Từ mô hình 1 và mô hình 2 tính được lực dính giữa bê tông

và cốt thép không kể đến ảnh hưởng của cốt đai ứng với mỗi cấp độ

 Lập lưu đồ thuật toán tính lực dính và Mn để từ đó lập trình chương trình tính toán trên phần mềm Matlab Chương trình được lập

để tính cho cả 2 loại: bài toán xác định và bài toán độ tin cậy

XÁC THỰC MÔ HÌNH VÀ KHẢO SÁT THAM SỐ

bê tông có cường độ chịu nén trung bình là 30Mpa

Trong quá trình thí nghiệm, phần bê tông được cố định, thanh cốt thép được tác dụng một lực kéo dọc trục cho đến khi lực dính giữa

bê tông và cốt thép bị phá hoại Lực đo được tại thời điểm phá hủy chia cho diện tích xung quanh bề mặt tiếp xúc bê tông của cốt thép chính là lực dính đơn vị mẫu thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành với các mẫu có đường kính thép khác nhau và các cấp độ ăn mòn khác nhau

Hình 3.1 Sơ đồ thiết bị gây ăn mòn cho cốt thép

b So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm

Hình 3.2 Kết quả mô hình và thí nghiệm trên nhóm mẫu 1

Thanh cèt thÐp

BÓ chøa n-íc Nguån ®iÖn mét chiÒu

Bª t«ng

Nót bÞt kÝn

TÊm thÐp kh«ng gØ ChiÒu dßng ®iÖn

Hình 3.3 Kết quả mô hình và thí nghiệm trên nhóm mẫu 2

Hình 3.4 Kết quả mô hình và thí nghiệm trên nhóm mẫu 3

Từ kết quả trên, ta thấy rằng kết quả lực dính tính từ mô hình có kết quả rất gần với kết quả thí nghiệm

3.1.2 Xác thực kết quả của mô hình tính Mn với thí nghiệm

a Mô tả thí nghiệm

Thí nghiệm được thực hiện trên mẫu là dầm bê tông cốt thép có kích thước tiết diện 150x150 (mm), chiều dài dầm L=1000 mm Bê tông của dầm thí nghiệm có cường độ chịu nén là 40 MPa Vùng chịu kéo của tiết diện dầm đặt một thanh thép có đường kính db = 12 mm, vùng chịu nén đặt 2 thanh thép có đường kính mỗi thanh db=10 mm Chiều dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép chịu kéo là C = 29 mm Cốt thép đai của dầm có đường kính dsv = 6 mm, cách khoảng asv = 50 mm Các dầm bê tông trong thí nghiệm trên bị cho ăn mòn ở cấp độ khác nhau và đưa vào thí nghiệm uốn ngang phẳng Tải trọng tác dụng tại thời điểm dầm bê tông bị phá hoại được ghi nhận để từ đó tính được khả năng chịu uốn của mẫu thí nghiệm (Mn)

b So sánh kết quả mô hình và thí nghiệm

Mô hình trong luận văn sử dụng phương pháp tính toán khả năng chịu uốn của tiêu chuẩn ACI – 318 nên giá trị Mn từ mô hình sẽ nhỏ hơn kết quả của thí nghiệm do trong tiêu chuẩn có tính đến hệ số

an toàn khi thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Vì thế, để xét sự đúng đắn của mô hình, ta sử dụng giá trị mô men chuẩn hóa (Mnormal) để so sánh kết quả với thí nghiệm

Hình 3.5 So sánh kết quả Mn chuẩn hóa

3.2 KHẢO SÁT CÁC THAM SỐ

3.2.1 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ C

3.2.2 Cường độ chịu nén của bê tông

3.2.3 Ảnh hưởng của chiều cao tiết diện đến Mn

3.2.4 Ảnh hưởng của chiều dài neo cốt thép đến Mn

3.2.5 Ví dụ bài toán độ tin cậy

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương này, tác giả đã thực hiện những công việc sau:

Mô hình xác định lực dính và khả năng chịu uốn của cấu kiện BTCT bị ăn mòn được xác thực với các kết quả thí nghiệm Kết quả cho thấy mô hình có độ tin cậy cao

Thông qua mô hình, một số thông số chính của cấu kiện BTCT như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cường độ chịu nén của bê tông, chiều cao của tiết diện, chiều dài đoạn neo của cốt thép được khảo sát

Kết quả cho thấy rằng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, chiều cao tiết diện

và chiều dài đoạn neo cốt thép có sự ảnh hưởng rất lớn đến Mn Bài toán ví dụ về độ tin cậy được xét đến trong chương này với các tham số đầu vào là biến ngẫu nhiên có phân phối chuẩn Kết quả cho thấy khi tăng giá trị kỳ vọng của mô men lớn nhất do tải trọng thì xác suất phá hủy của cấu kiện tăng Điều phù hợp với điều kiện làm việc thực tế của cấu kiện

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận

Trong luận văn đã hoàn thành đầy đủ các nhiệm vụ đề ra là: Tổng quan tình hình nghiên cứu về ăn mòn kết cấu bê tông cốt thép Chỉ ra ưu nhược điểm của các phương pháp nghiên cứu hiện hành

Tổng quan được những mô hình về ăn mòn hiện có, làm rõ những điểm cần khắc phục để xây dựng mô hình cải tiến có độ tin cậy cao hơn

Luận văn đã xây dựng được mô hình tính khả năng chịu uốn của cấu kiện bê tông cốt thép bị ăn mòn ở bài toán biến xác định Mô hình

đề cập tới sự ảnh hưởng của tác nhân ăn mòn đến sự hình thành phát triển vết nứt cũng sự suy giảm lực dính của cấu kiện bê tông cốt thép

Mô hình được xác thực với các thí nghiệm hiện có Kết quả cho thấy

mô hình có độ tin cậy cao, có thể ứng dụng để đánh giá các cấu kiện với điều kiện làm việc thực tế

Mô hình Mn biến xác định được kết hợp với Neural Network và

mô phỏng Monte Carlo để đánh giá độ tin cậy của kết cấu khi các yếu

tố đầu vào là các đại lượng ngẫu nhiên

Thông qua mô hình, một số thông số chính của cấu kiện BTCT như chiều dày lớp bê tông bảo vệ, cường độ chịu nén của bê tông, chiều cao của tiết diện, chiều dài đoạn neo của cốt thép được khảo sát Kết quả cho thấy rằng chiều dày lớp bê tông bảo vệ, chiều cao tiết diện

và chiều dài đoạn neo cốt thép có sự ảnh hưởng rất lớn đến Mn Vì vậy tác giả khuyến nghị cần chú trọng các thông số này khi thiết kế và thi công các công trình ở môi trường có tính ăn mòn cao

2 Kiến nghị