Thử nghiệm đơn vị: Thử nghiệm lực cắt trong dầm với hàm lượng đai thép thấp

Giới thiệu 

Trong bài viết sắp tới, chúng tôi hướng tới việc khảo sát phá hoại do lực cắt trong dầm với hàm lượng đai thép thấp. Chúng tôi sẽ so sánh dữ liệu thực nghiệm với mô hình 3D-CSFM Solid Block để phân tích ứng xử tải trọng - biến dạng và dự đoán các dạng phá hoại. Thử nghiệm đơn vị này bao gồm ba ví dụ, mỗi ví dụ khác nhau về hàm lượng cốt thép và kích thước dầm. Ngoài ra, bài viết này mở rộng kiểm chứng hiện có của CSFM 2D[1], cung cấp một khảo sát chi tiết hơn về các biến thể lưới và số lượng ví dụ. Tất cả các phương pháp dựa trên CSFM đều được thực hiện trong Detail application của IDEA StatiCa, chủ yếu sử dụng các cài đặt mặc định. Các thông tin chi tiết hơn về chủ đề này sẽ được thảo luận sau trong bài viết.

Định nghĩa các dạng phá hoại

Để thuận tiện cho việc so sánh các dạng phá hoại quan sát được trong thực nghiệm với các dạng phá hoại dự đoán bởi CSFM, các dạng phá hoại được phân loại thành phá hoại do uốn (F) hoặc phá hoại do lực cắt (S). Mặc dù sự chảy dẻo của cốt thép không phải là một dạng phá hoại vật liệu theo đúng nghĩa, nhưng nó vẫn được đưa vào như một phần của việc phân loại dạng phá hoại cùng với nén dập bê tông. Sự phân biệt này rất quan trọng để nhận diện các trường hợp nén dập bê tông xảy ra mà không có sự chảy dẻo của cốt thép—thường rất giòn—so với các trường hợp xảy ra sau khi cốt thép đã chảy dẻo, thể hiện một mức độ khả năng biến dạng nhất định.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.1\qquad Definition of failure modes}}}$$

Thiết lập thử nghiệm đơn vị

Trong thử nghiệm đơn vị này, tất cả các dầm đều được đặt như dầm đơn giản và chịu tải bởi một lực tập trung tại giữa nhịp. Các thông số như kích thước và cốt thép của dầm có thể xem trong Hình 2.1. Bảng này bao gồm các thông tin như đường kính cốt thép chịu lực cắt (Ø_t), khoảng cách (s_t), và tỷ lệ cốt thép hình học (ρ_t,geo). Ngoài ra, các thông tin chi tiết về cốt thép chịu uốn, bao gồm số lượng (n_l) và đường kính (Ø_l) của các thanh thép, cũng như hình học của dầm—chiều cao hữu hiệu (d), tỷ lệ độ mảnh chịu cắt (a/d), và bề rộng (b)—được trình bày. Thử nghiệm được ký hiệu R 500m352, thực hiện bởi Huber năm 2016[3], sử dụng các mẫu thí nghiệm với cốt thép được gia cường bằng móc một nhánh. Ngược lại, các mẫu thí nghiệm A1 và A3, thuộc thí nghiệm được thực hiện bởi Vecchio và Shim năm 2004[2], sử dụng đai thép kín hai nhánh làm cốt thép gia cường.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.1\qquad Dimensions and mode of Reinforcement: (a) R500m352, (b) A1, A3 }}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.2\qquad Reinforcement Properties}}}$$

Đặc trưng vật liệu

Các đặc trưng vật liệu của bê tông, cốt thép và neo được sử dụng trong phân tích CSFM được trình bày chi tiết trong Bảng 1.3. Hầu hết các đặc trưng vật liệu cần thiết để nhập vào CSFM đều được nêu trong báo cáo của các thí nghiệm tương ứng. Các giá trị không được nêu rõ ràng và do đó được giả định sẽ được đánh dấu trong bảng.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.3\qquad Material Properties}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.2\qquad Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement, (b) Stress-strain diagram of concrete}}}$$

Mô hình hóa với 3D-CSFM

Các thông số vật liệu và cốt thép được sử dụng trong cả phân tích CSFM 2D và 3D được lấy từ Bảng 1.2 và Bảng 1.3, tương ứng. Trong 3D-CSFM, các dầm được mô hình hóa sử dụng lớp mô hình solid block trong IDEA StatiCa Detail. Tải trọng lên dầm được đặt tại giữa nhịp dưới dạng tải trọng bề mặt trên diện tích 0.2 m x b (bề rộng dầm), với hợp lực tác dụng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Điều kiện gối tựa của dầm được mô hình hóa là gối tựa đơn giản, sử dụng gối tựa bề mặt có kích thước 0.15 m x 0.30 m. Cấu hình này được thiết kế để tái tạo chính xác các điều kiện thiết lập thực nghiệm và cung cấp một mô phỏng thực tế về ứng xử của dầm dưới tải trọng.

Như đã đề cập trước đó, gần như tất cả các thông số, bao gồm kích thước lưới, được giữ theo các cài đặt mặc định trong IDEA StatiCa Detail. Tuy nhiên, một điều chỉnh cụ thể đã được thực hiện đối với việc mô hình hóa đai thép: "Mô hình Pull-Out" được áp dụng rõ ràng thay vì "Mô hình Tension Chord" mặc định. Mô hình này được áp dụng tự động trong mô hình 2D-CSFM dưới lớp Beam cho đai thép. Việc điều chỉnh này được thực hiện để đảm bảo tính toán chính xác đai thép trong loại mô hình 3D-CSFM Solid Block trong chế độ developer của IDEA StatiCa Detail. Điều chỉnh này rất quan trọng để căn chỉnh mô phỏng gần sát với các ứng xử vật lý quan sát được trong các thiết lập thực nghiệm, đặc biệt là cách đai thép chịu tải trọng trong các mô hình.

Đọc thêm về Mô hình Tension Chord và Mô hình Pull-Out trong Cơ sở lý thuyết

Tất cả các hệ số riêng phần trong IDEA StatiCa Detail được đặt thành giá trị 1.0. 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.3\qquad Loads in IDEA StatiCa Detail: (a) 3D-CSFM: A1 - Vecchio and Shim (2004), (b) 2D-CSFM: R500m352 - Huber (2016)}}}$$

Ứng xử tải trọng - biến dạng

Sự so sánh giữa các phương pháp số và dữ liệu thực nghiệm có thể được thể hiện trực quan trong Hình 2.4. Trong hình này, dữ liệu thực nghiệm được biểu diễn bằng đường nét đứt màu đen, trong khi 2D-CSFM được biểu diễn bằng đường liền nét màu xanh và 3D-CSFM bằng đường liền nét màu đỏ. Các đồ thị thể hiện sự tương quan mạnh mẽ giữa các phương pháp số và dữ liệu thực nghiệm, cho thấy các mô phỏng phản ánh hiệu quả ứng xử quan sát được trong các thí nghiệm vật lý. Sự phù hợp này cho thấy các mô hình số là đáng tin cậy và cung cấp cơ sở vững chắc để phân tích ứng xử kết cấu dưới các điều kiện thử nghiệm.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.4\qquad Load-Deformation Respons: (a) R500m352, (b) A1, (c) A3}}}$$

Sự so sánh về tải trọng tới hạn có thể xem trong Hình 2.5 và tỷ lệ phần trăm phù hợp trong Bảng 1.4. Đối với tất cả các ví dụ, có sự phù hợp nhất quán với các kết quả thực nghiệm.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.5\qquad Critical Load: (a) R500m352, (b) A1, (c) A3}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.4\qquad Critical Load comparison}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Table. 1.5\qquad Critical Load and Failure mode type comparison}}}$$

Kết luận 

Trong thử nghiệm đơn vị này, một sự so sánh được thực hiện giữa ứng xử thực nghiệm và các mô phỏng CSFM, cả 2D và 3D, của một dầm với hàm lượng cốt thép thấp. Những nhận định chính từ bài viết bao gồm:

• Cả mô phỏng CSFM 2D và 3D đều khớp chặt chẽ với dữ liệu thực nghiệm, chứng minh khả năng dự đoán chính xác ứng xử kết cấu của dầm với hàm lượng cốt thép tối thiểu.
• Việc sử dụng mô hình hóa solid block trong 3D và các kỹ thuật mô hình hóa 2D tương đương đều hiệu quả trong việc biểu diễn các điều kiện thực tế của dầm dưới tải trọng, được xác nhận bởi sự tương quan mạnh mẽ với kết quả thực nghiệm.
• Kết quả về ứng xử tải trọng - biến dạng, so sánh tải trọng tới hạn, và dự đoán dạng phá hoại đều cho thấy sự phù hợp mạnh mẽ với các kết quả thực nghiệm. Sự phù hợp mạnh mẽ này nhấn mạnh tính hiệu quả và độ chính xác của các mô phỏng CSFM trong việc mô hình hóa ứng xử thực tế của dầm dưới các điều kiện tải trọng khác nhau.
• Mặc dù 3D-CSFM vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm beta, sự phù hợp của nó với các kết quả thực nghiệm nhấn mạnh tiềm năng ứng dụng của nó. Sự phù hợp này cung cấp một số xác nhận về hiệu quả của công cụ, mặc dù nên được diễn giải một cách thận trọng do vẫn đang trong giai đoạn phát triển.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 2.6\qquad Stress field results R500m352}}}$$

Tài liệu tham khảo 

[1] - Kaufmann, W., J. Mata-Falcón, M. Weber, T. Galkovski, D. Thong Tran, J. Kabelac, M. Konecny, J. Navratil, M. Cihal, and P. Komarkova. 2020. “Compatible Stress Field Design Of Structural Concrete. Berlin, Germany.”AZ Druck und Datentechnik GmbH, ISBN 978-3-906916-95-8.

[2] - Vecchio, F.J., and W. Shim. 2004. “Experimental and Analytical Reexamination of Classic Concrete Beam Tests.” Journal of Structural Engineering 130 (3): 460–69.

[3] - Huber, P. 2016. “Beurteilung der Querkrafttragfähigkeit bestehender Stahlbeton- und Spannbetonbrücken.” PhD thesis, Wien: TU Wien, Faculty of Civil Engineering.