Kiểm thử đơn vị: Neo

Giới thiệu 

Trong bài viết này, chúng tôi trình bày một nghiên cứu kiểm thử đơn vị nhằm xác minh 3D-CSFM về ứng xử nhổ (pull-out) của neo bê tông thông qua so sánh trực tiếp với kết quả thí nghiệm^[1]. Trọng tâm nghiên cứu của chúng tôi là đánh giá khả năng dự đoán của các mô hình số trong việc mô phỏng các khía cạnh chính của ứng xử neo, bao gồm các dạng phá hoại và khả năng chịu tải cực hạn. Nghiên cứu của chúng tôi bao gồm một dải đa dạng các đường kính neo, từ 10mm đến 32mm, phản ánh sự biến thiên gặp phải trong các tình huống kỹ thuật thực tế. Điều này cho phép chúng tôi nhận ra bất kỳ xu hướng phụ thuộc đường kính nào và đánh giá độ tin cậy của 3D-CSFM trên các quy mô khác nhau. Cần lưu ý rằng tất cả các mô phỏng đều được thực hiện trong 3D-CSFM, một phương pháp được triển khai trong IDEA StatiCa Detail, sử dụng các cài đặt mặc định cho tất cả các thông số. 

Định nghĩa các dạng phá hoại

Để đánh giá hiệu suất của 3D-CSFM trong việc mô phỏng các neo dán cấy sau (post-installed bonded anchors), chúng ta phải xem xét hai dạng phá hoại: nhổ (pull-out), khi ứng suất dính bám (τ_b) bằng ứng suất dính bám thiết kế (τ_bd), và chảy dẻo của bản thân neo, nghĩa là đạt đến giới hạn biến dạng dẻo.

Thiết lập kiểm thử đơn vị

Trong nghiên cứu này, các neo Hilti HIT-RE500 - SD Injectable Mortar with Reinforcement (500B) đã được mô hình hóa trong IDEA StatiCa Detail và kết quả được so sánh với dữ liệu thí nghiệm^[1]. 

Kích thước của các khối bê tông và cốt thép của chúng đã được xem xét cẩn thận để giảm thiểu bất kỳ tác động tiềm ẩn nào đến ứng xử nhổ, do đó đảm bảo tính hợp lệ của kết quả thí nghiệm^[1]. Một kích thước khối bê tông đã được sử dụng cho tất cả các kiểm thử đơn vị neo (1.0x1.0x0.5 m; RxSxC). Khối được gia cường bởi các thanh thép B 500B với đường kính 8-14 mm. 8 lớp thanh thép quanh mỗi bề mặt (ngoại trừ bề mặt đáy, các thanh cốt thép được mô hình hóa liên tục qua gối đỡ đáy) với khoảng cách lớp là 135.0 mm.  Tất cả các hệ số an toàn quy định bởi các tiêu chuẩn xây dựng liên quan đã được tuân thủ nghiêm ngặt, với giá trị 1.0 được áp dụng xuyên suốt các tính toán. Kích thước lỗ neo so với đường kính của bản thân neo không được xem xét rõ ràng trong mô hình tính toán.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.1 Side view of a reinforced concrete block with glued in anchor}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.2 View of a reinforced concrete block with highligted anchor. Diameter of anchor equals to 16 mm }}}$$

Cường độ dính bám của neo, một thông số quan trọng trong thiết kế neo, được xác định là 15.4 MPa theo các xem xét thí nghiệm^[1], và 12.0 MPa cho mô hình xác minh thứ hai. Tương tự, theo thí nghiệm, chiều dài neo cấy trong khối bê tông đã được xác định nhất quán. Chiều dài bổ sung 50 mm của neo phía trên khối bê tông, nơi lực kéo dọc trục được đặt vào, đã được xem xét trong mô hình. Trong kiểm thử này, các neo có đường kính 10mm, 12mm, 16mm, 20mm, 25mm, 32mm đã được so sánh với kết quả thí nghiệm. Các thiết lập thí nghiệm được tóm tắt trong Bảng 2.2.

Sử dụng mô hình khối đặc 3D-CSFM (3D-CSFM Solid Block), phân tích bao gồm một khảo sát toàn diện các khía cạnh khác nhau bao gồm đặc tính nhổ của neo, xác định các ngưỡng tải trọng tới hạn, và dự đoán tinh tế các dạng phá hoại. 

Tính chất vật liệu

Các tính chất vật liệu của bê tông, cốt thép và neo được sử dụng trong phân tích CSFM được tóm tắt trong Bảng 2.2. Ứng suất chảy ($f_{yk}$) và ứng suất cực hạn ($k \times f_{yk}$) của cốt thép, cũng như cường độ chịu nén ($f_{ck}$), biến dạng dẻo ($\epsilon_{c2}$), và biến dạng dẻo giới hạn ($\epsilon_{cu2}$) của bê tông, đã được chọn dựa trên các điều kiện được ghi chú trong phần ghi chú thí nghiệm. Cường độ dính bám cũng được nhà sản xuất quy định trong tài liệu quảng cáo đã cung cấp.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.3 Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement B 500B, (b) Stress-strain diagram of concrete C30/37 }}}$$

So sánh với kết quả thí nghiệm 

Phần này so sánh các kết quả thí nghiệm từ nhà sản xuất với tải trọng cực hạn và các dạng phá hoại được dự đoán bởi 3D-CSFM. Sáu trường hợp tải trọng nhổ cực hạn, tương ứng với các đường kính neo khác nhau, đã được đối chiếu với kết quả từ 3D-CSFM. Ngoài ra, một dạng phá hoại cụ thể đã được xác định cho từng đường kính neo.

Các dạng phá hoại và tải trọng cực hạn

Bảng 2.4 trình bày một bản tóm tắt toàn diện về tải trọng cực hạn ghi nhận được trong các thí nghiệm (P_u,exp) và những giá trị được dự đoán bởi 3D-CSFM (P_u,3D-CSFM), cùng với các dạng phá hoại tương ứng. Tỷ lệ vượt quá 1 cho thấy các dự đoán của mô hình cao hơn một cách thiên về an toàn so với các giá trị đo được. Như được minh chứng trong Bảng 2.4, các dạng phá hoại chính được dự đoán bởi tất cả các phân tích 3D-CSFM đều nhất quán với các kết quả thí nghiệm, mặc dù một số sai lệch trong các phân loại phá hoại cụ thể được ghi nhận đối với các đường kính lớn hơn. Các dự đoán của 3D-CSFM nhìn chung là chính xác, với xu hướng hơi thiên về an toàn được thể hiện qua tỷ lệ lớn hơn 100% đối với các đường kính lớn hơn. 

Ngoài ra, các giá trị của ($P_{u,bar}$) và ($P_{u,bond}$) đã được tính toán và bổ sung vào bảng.

$P_{u,bar}=A_{bar}\cdot k \cdot f_{yk}$

$P_{u,bond}=C_{bar}\cdot l_{bar} \cdot \tau_{bd}$

Trong đó ($A_{bar}$) là diện tích của neo, ($C_{bar}$) là chu vi của neo, và ($l_{bar}$) là chiều dài của neo trong bê tông.

Có thể thấy, từ các giá trị được trình bày ở trên, rằng thí nghiệm được thiết lập để chứng minh rằng bộ giải có thể tính toán chính xác các dạng phá hoại kết hợp Pull-out và YA.

Ngoài ra, cùng các mô hình với cường độ dính bám ($\tau_{bd} = 12.0 MPa$) đã được tính toán và so sánh với các giá trị được xác định theo phân tích của ($P_{u,bond}$).

Hình 1.4 củng cố các kết quả được nêu trong Bảng 2.4 bằng cách cho thấy toàn bộ khả năng của ứng suất dính bám đạt được cũng như biến dạng giới hạn, do đó dẫn đến dạng phá hoại được xác định là Pull-out và YA.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.4 Anchor 16 mm: Strain check value (left) and Bond stress (right) }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.5 Anchor 32 mm: Stress flow view }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.6 Anchor 25 mm: Stress in the reinforcement }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1.7 Anchor 20 mm: Strain in the reinforcement }}}$$

Kết luận 

Sự so sánh giữa dữ liệu thí nghiệm^[1] và phiên bản beta của 3D-CSFM cho thấy một sự tương quan đạt yêu cầu. Những nhận định chính từ đánh giá sơ bộ này bao gồm:

• Một mối tương quan mạnh đã được xác lập đối với tất cả các neo, thể hiện rõ ở các dạng phá hoại được quan sát trong các mô hình và các giá trị tải trọng cực hạn. 
• Mặc dù 3D-CSFM vẫn đang trong giai đoạn beta, sự phù hợp của nó với các kết quả thí nghiệm cho thấy tiềm năng hữu ích của phương pháp này. Sự tương đồng này cung cấp một phần xác nhận về hiệu quả của công cụ, mặc dù cần được diễn giải một cách thận trọng do vẫn đang trong giai đoạn phát triển.

Tài liệu tham khảo 

[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Available from: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf