Giới thiệu
Khả năng chịu tải của neo được liên kết dính trong bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Cường độ vật liệu bê tông, vật liệu neo và liên kết dính giữa neo và bê tông là các thông số vật liệu quan trọng quyết định ứng xử của neo. Một yếu tố khác, không kém phần quan trọng, là hình học của neo (và có thể cả toàn bộ khối móng). Chiều dài neo và sự hiện diện của cốt thép khác cũng đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất của neo.
Mục đích của bài viết này là kiểm chứng và xác nhận tính toán dựa trên CFSM đối với neo được liên kết dính trong bê tông cốt thép. Nhiều chiều dài neo khác nhau được lựa chọn theo dữ liệu tài liệu tham khảo có sẵn [1] để xác nhận. Việc kiểm chứng phương pháp trình bày dựa trên (I) so sánh với phần mềm mô phỏng số ứng xử vật liệu đã được thiết lập tốt khác và (II) sự tuân thủ với các tiêu chuẩn thiết kế.
Mô tả thí nghiệm
Chương trình thí nghiệm [1] bao gồm việc thử nghiệm neo kích thước thực được liên kết dính trong khối bê tông. Các thanh thép được làm từ thép có gân (FeE500B) với đường kính 20 mm. Đối với thanh thép có gân, cường độ chảy dẻo của thép là 585 MPa, cường độ giới hạn là 700 MPa, biến dạng giới hạn tại thời điểm phá hoại là 16%, và mô-đun đàn hồi là 210 GPa. Ba độ sâu khác nhau (100, 150, 200 mm) được thử nghiệm để quan sát phá hoại do liên kết dính, phá hoại dạng nón bê tông, hoặc phá hoại thanh thép. Các neo được đúc trong khối bê tông cốt thép (2250x1850x600 mm) để ngăn ngừa phá hoại do tách vỡ và hiệu ứng cạnh. Cốt thép tối thiểu theo khuyến nghị của EDF (Điện lực Pháp) được bố trí, bao gồm một lớp thanh thép có gân đường kính 20 và 25 mm theo cả hai phương ở phần trên và phần dưới của khối.
Ngoài ra, một số đai thép đường kính 12 mm được bố trí để đỡ hai lớp cốt thép. Tỷ lệ cốt thép là 0,64%. Cấp bê tông sử dụng là C40/50. Khối bê tông được cố định bằng hai đoạn kim loại liên kết với bản sàn thí nghiệm bằng bốn thanh dự ứng lực. Không có áp lực bao quanh nào được áp dụng xung quanh neo. Kích thủy lực được cố định vào neo bằng hai thanh đối xứng. Tải trọng kéo tựa tĩnh được điều khiển bằng chuyển vị với tốc độ gia tải 1 mm/phút, và tải trọng được áp dụng cho đến khi neo bị phá hoại.
1) Cấu hình thí nghiệm kéo nhổ - trích từ bài viết: Pullout behavior of cast-in-place headed and bonded anchors with different embedment depths - Fabien Delhomme, Thierry Roure ,Benjamin Arrieta, Ali Limam
2) Bố trí cốt thép và neo
3D CSFM - Phương pháp trường ứng suất tương thích
Lý thuyết
3D CSFM định nghĩa ứng xử của bê tông dựa trên lý thuyết dẻo Mohr-Coulomb đối với tải trọng đơn điệu. Phương pháp này xem xét ứng xử của bê tông theo ứng suất chính, đồng thời bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông. Hiệu ứng của lực kéo trong bê tông chỉ được xét đến trong Tăng cứng do kéo của cốt thép.
Các thanh cốt thép được liên kết với các phần tử hữu hạn thể tích bê tông thông qua các phần tử liên kết dính, cho phép trượt giữa bê tông và cốt thép. Cần lưu ý rằng 3D CSFM không phù hợp để mô phỏng bê tông không cốt thép do không có ứng suất kéo, điều này có thể dẫn đến biến dạng sai lệch và mô hình không hội tụ.
Nhìn chung, lý thuyết Mohr-Coulomb bao gồm hai đặc tính cơ bản chi phối sự phát triển của mặt dẻo trong nén và một phần trong kéo: góc ma sát trong φ và thông số lực dính c. 3D CSFM giả định góc ma sát trong bằng không, dẫn đến thiết kế thiên về an toàn do mặt dẻo tương tự mô hình Tresca, độc lập với bất biến ứng suất thứ nhất. Có thể tìm hiểu thêm trong Cơ sở lý thuyết [2].
Cấu trúc mô hình
Mô hình FEA được xây dựng bằng các phần tử tứ diện bê tông bậc cao, với các thanh 1D nhúng đại diện cho cốt thép được liên kết với nhau thông qua MPC (Ràng buộc đa điểm) và các phần tử liên kết dính để cho phép trượt. Các thanh cốt thép được chia thành hai lớp bề mặt với lớp bảo vệ 60 mm và đai chịu cắt (xem Hình 2). Mô hình sử dụng liên kết bề mặt với các bậc tự do X, Y, Z bị hạn chế trên chiều rộng 200 mm. Các neo được đúc đặt ở giữa mẫu thí nghiệm, và chiều dài neo thay đổi từ 100-200 mm để thử nghiệm tất cả các dạng phá hoại có thể xảy ra.
3) Cấu trúc mô hình
Mô hình neo
Neo được mô hình hóa bằng phần tử THANH (ROD) chỉ có thể truyền lực nén và lực kéo. Khía cạnh quan trọng là mô hình liên kết dính và cách neo được liên kết với bê tông xung quanh để đảm bảo dòng lực và ứng suất trong quá trình tương tác giữa bê tông, neo và cốt thép. Liên kết có độ cứng chống cắt tuyến tính cụ thể Gb, phụ thuộc vào mô-đun đàn hồi của bê tông Ecm và đường kính của neo. Có thể tìm hiểu thêm về mô hình liên kết dính trong Cơ sở lý thuyết [2].
4) Mô hình liên kết dính và MPC
Tiêu chuẩn thiết kế
CEB-FIB mode code 2020
Các kỹ sư có sự hỗ trợ từ tiêu chuẩn và các quy chuẩn hợp lệ. Nhận định này gợi ra động lực so sánh giải pháp thực nghiệm với các giải pháp theo tiêu chuẩn để kiểm chứng độ an toàn của các tiêu chuẩn và quy chuẩn hiện hành. Các đặc tính bê tông C40/50 được lấy từ đặc tính theo tiêu chuẩn. Các đặc tính vật liệu đối với thanh cốt thép và neo được thử nghiệm thực tế và dữ liệu đã được cung cấp. Chúng tôi đã kiểm chứng giải pháp đối với bê tông không bị bao hạn chế và phân nhóm điều kiện liên kết dính tốt/khác. CEB-FIB mode code [3] cung cấp định nghĩa rõ ràng về cách thức hoạt động của liên kết dính. Các dữ liệu đầu vào đã được sử dụng cho mô phỏng số của neo trong ABAQUS [4].
4) CEB-FIB mode code 2020 - Mô hình liên kết dính
Eurocode 1992-1-1
Giả định của Eurocode 1992-1-1 [5] đã được sử dụng như một điều kiện tiên quyết cho 3D CSFM. Mô hình cứng - dẻo với mô hình liên kết dính đặc trưng và được tính toán thực nghiệm đã được sử dụng để mô phỏng và so sánh với giải pháp thực nghiệm.
5) Eurocode 1992-1-1 và 3D CSFM - Mô hình liên kết dính
Eurocode 1992-4
Các giá trị đặc trưng cũng đã được so sánh với Eurocode 1992-4 [6], được triển khai trong IDEA StatiCa Connection. Điều này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách cốt thép trong khối bê tông ảnh hưởng đến ứng xử cục bộ của neo. Nó cho phép kiểm tra các hiệu ứng như phá hoại của neo do kéo và phá hoại dạng nón bê tông.
6) a) Phá hoại thanh do kéo; b) Phá hoại dạng nón bê tông
ABAQUS - Concrete Damage Plasticity
Các giả định
Concrete Damage Plasticity (sau đây gọi là CDP) dựa trên điều kiện dẻo Drucker-Prager [7]. Mô hình này phù hợp với các vật liệu có ma sát trong, chẳng hạn như đất hoặc bê tông. Cường độ chịu kéo thấp hơn đáng kể so với cường độ chịu nén và thành phần thủy tĩnh của tensor ứng suất đóng vai trò trong sự phát triển của mặt dẻo. Dưới trạng thái ứng suất tổng quát, điều kiện dẻo có dạng mặt hình nón xoay. Mô hình vật liệu đối với ứng suất nén và kéo cũng xét đến ứng xử sau tới hạn, được kiểm soát bởi các thông số gọi là thông số hư hỏng, nhận giá trị từ không (không hư hỏng) đến một (đối với độ cứng gần bằng không của bê tông khi nén hoặc kéo ở trạng thái sau tới hạn). Thông số hư hỏng càng lớn, phần tử càng bị suy giảm và không đóng góp vào độ cứng tổng thể.
Mô hình vật liệu
Mô hình vật liệu đơn trục khi nén và kéo đối với bê tông dựa trên lý thuyết Thorenfeldt [8]. Tất cả các đầu vào đều là giá trị đặc trưng tuân theo phương pháp độ tin cậy của EN 1992-1-1 [5]. Các thông số cho mô hình vật liệu của cốt thép và neo được lấy từ chương "Mô tả thí nghiệm", với ứng xử tăng bền tuyến tính được xét đến trong nhánh dẻo của biểu đồ.
Phần tử FEA
Phần tử C3D8, hay phần tử khối lục diện với hàm cơ sở tuyến tính và tám điểm tích phân, đã được sử dụng cho mô hình FEM của bê tông. Bê tông và cốt thép bao gồm các phần tử T3D2 chỉ truyền hiệu ứng dọc trục. Tương tác giữa cốt thép và bê tông được cung cấp bởi các ràng buộc MPC, trong đó tăng cứng do kéo được xét đến, phần nào bao trùm mô hình lực dính hoặc hiệu ứng chốt (dowel effect).
Cấu trúc mô hình
Mô hình FEA được thiết kế với các điều kiện biên đối xứng nhằm giảm thiểu chi phí tính toán và cải thiện hiệu quả cũng như tốc độ của lời giải. Điều quan trọng cần lưu ý là do mô hình được thu gọn, lực tác dụng lên neo sẽ đạt một phần tư lực lớn nhất. Lưới đã được phân bố đồng đều bằng tỷ lệ chia độ (bias ratio), giúp giảm dần kích thước lưới của bê tông về phía vị trí neo. Kích thước lưới đối với bê tông nằm trong khoảng (5 - 100 mm). Việc chia lưới cục bộ hỗ trợ gradient ứng suất gần neo và cho kết quả chính xác hơn.
7) Cấu trúc mô hình
Neo
Neo được mô hình hóa bằng các phần tử khối 3D. Ứng xử tiếp xúc dính đã được sử dụng để mô hình hóa liên kết dính giữa bê tông và neo. Tương tác bề mặt cho phép tách lớp dựa trên định luật đàn hồi tuyến tính lực kéo - chuyển vị tách trước khi hư hỏng xảy ra. Tiếp xúc cứng đã được sử dụng khi nén và ứng xử không ma sát trong chuyển động tiếp tuyến. Ứng xử dính theo phương pháp tuyến và phương tiếp tuyến đã được đưa vào bằng độ cứng thể tích và các thông số hư hỏng để biểu diễn ứng xử sau tới hạn. Sự khởi phát của ứng xử sau tới hạn được biểu thị bằng ứng suất dính tối đa theo phương pháp tuyến và phương tiếp tuyến cùng năng lượng phá hủy với mềm hóa tuyến tính hoặc hàm mũ [7].
8) Tiếp xúc dính
Kết quả - Neo 100 mm
9) Các thông số đầu vào - đầu ra cần thiết cho mô phỏng
10) Lực lớn nhất và hệ số sử dụng so với thí nghiệm đối với neo 100 mm
11) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thí nghiệm T103-100
12) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu đặc trưng theo tiêu chuẩn T103-100
Kết quả - Neo 150 mm
12) Các thông số đầu vào - đầu ra cần thiết cho mô phỏng
13) Lực lớn nhất và hệ số sử dụng so với thí nghiệm đối với neo 150 mm
14) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thí nghiệm T103-150
15) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu đặc trưng theo tiêu chuẩn T103-100
Kết quả - Neo 200 mm
16) Các thông số đầu vào - đầu ra cần thiết cho mô phỏng
17) Lực lớn nhất và hệ số sử dụng so với thí nghiệm đối với neo 200 mm
18) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thí nghiệm T103-200
19) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu đặc trưng theo tiêu chuẩn T103-200
Kết luận
Chương trình thí nghiệm đã khảo sát thành công ứng xử của neo kích thước thực được liên kết dính trong khối bê tông cốt thép, sử dụng phương pháp toàn diện kết hợp cả thử nghiệm thực tế và mô hình hóa số. Bằng cách thay đổi chiều sâu chôn của neo (100, 150, 200 mm), nghiên cứu đã có thể quan sát các dạng phá hoại khác nhau, bao gồm phá hoại do liên kết dính, phá hoại dạng nón bê tông, và phá hoại thanh thép. Các kết quả đã được so sánh chặt chẽ với dự đoán từ CEB-FIB model code và Eurocode, xác nhận độ an toàn và độ tin cậy của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành đối với các hệ thống neo như vậy.
Việc sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa tiên tiến, chẳng hạn như 3D CSFM và mô phỏng ABAQUS với Concrete Damage Plasticity, đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về tương tác giữa bê tông và cốt thép, cũng như ứng xử liên kết dính dưới tải trọng kéo tựa tĩnh. Các kết quả đã xác nhận hiệu quả của các phương pháp đề xuất trong việc dự đoán hiệu suất của neo, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc mô hình hóa vật liệu chính xác và các điều kiện biên phù hợp trong các mô phỏng như vậy.
So sánh giữa ứng xử thực tế quan sát được trong thí nghiệm và lời giải số thu được bằng 3D CSFM và ABAQUS cho thấy độ tương quan khoảng 85%. Có thể kết luận rằng không có lời giải số nào vượt quá dữ liệu thí nghiệm và vẫn duy trì biên độ sai số 15% so với thí nghiệm, điều này được coi là chấp nhận được từ góc độ kỹ thuật. Một khía cạnh quan trọng khác là các dạng phá hoại phù hợp, ngoại trừ trường hợp chiều dài neo 200 mm, trong đó với 3D CSFM, một dạng phá hoại kết hợp giữa nón bê tông và kéo tuột xảy ra trước khi thanh thép bị phá hoại. Điều này là do, trong trường hợp này, tải trọng đỉnh tương ứng với hai dạng phá hoại này rất gần nhau.
Các kết quả thu được từ CEB-FIB mode code 2020 và Eurocode 1992-1-1 phù hợp với kết quả thí nghiệm trong khoảng 30-40%. Điều này cho thấy phương pháp được sử dụng trong tiêu chuẩn đảm bảo an toàn. Cần lưu ý rằng các giá trị thu được là giá trị đặc trưng, không phải giá trị thiết kế, do đó cường độ thiết kế thực tế thậm chí còn thấp hơn.
Các kết quả của báo cáo này cần truyền tải đến các kỹ sư rằng phương pháp 3D CSFM cho kết quả an toàn, phù hợp với Eurocode 1992-1-1 [5], và mang lại thiết kế thiên về an toàn được tích hợp trong chính tiêu chuẩn.
Nhìn chung, nghiên cứu này đóng góp dữ liệu có giá trị nhằm cải thiện các thực hành thiết kế neo, cung cấp bằng chứng có thể được sử dụng để hoàn thiện các tiêu chuẩn hiện hành và đảm bảo rằng các biên độ an toàn được duy trì đầy đủ trong các ứng dụng thực tế. Các kết quả thí nghiệm, kết hợp với các phân tích lý thuyết và số, cung cấp một khung tham chiếu vững chắc để hiểu các tương tác phức tạp trong các hệ thống neo, cuối cùng dẫn đến các thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả.
Tài liệu tham khảo
[1]Delhomme, F. & Roure, Thierry & Arrieta, Benjamin & Limam, Ali. (2015). Pullout behavior of cast-in-place headed and bonded anchors with different embedment depths. Materials and Structures. 49. 10.1617/s11527-015-0616-4.
[2] "IDEA StatiCa Detail – Structural Design of Concrete 3D Discontinuities (BETA)." IDEA StatiCa Support Center, 2023. https://www.ideastatica.com/support-center/idea-statica-detail-structural-design-of-concrete-3d-discontinuities-beta
[3]International Federation for Structural Concrete (fib). fib Model Code 2020 for Concrete Structures. Berlin: Ernst & Sohn, 2021.
[4] ABAQUS Standard User's Manual, Version 6.6*. Washington University in St. Louis, 2006. [https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/docs/v6.6/books/stm/default.htm]
[5] European Committee for Standardization (CEN). EN 1992-1-1:2004: Eurocode 2 – Design of Concrete Structures – Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings. December 2004. https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1992.1.1.2004.pdf.
[6] European Committee for Standardization (CEN). EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Design of Concrete Structures – Part 4: Design of Fastenings for Use in Concrete. Brussels: CEN, April 2018
[7]ABAQUS, Inc. ABAQUS User Subroutines Reference Manual, Version 6.6. Washington University in St. Louis, 2006. https://classes.engineering.wustl.edu/2009/spring/mase5513/abaqus/docs/v6.6/books/usb/default.htm?startat=pt05ch18s05abm36.html.
[8] Massone, L. M.; et al. Shear-Flexure Interaction for Structural Walls, 2006. ResearchGate. https://www.researchgate.net/publication/284079633_Shear-flexure_interaction_for_structural_walls (truy cập ngày 01 tháng 01 năm 2006).