Giới thiệu
Khả năng chịu tải của neo dính kết trong bê tông phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Cường độ vật liệu bê tông và neo, cũng như liên kết dính giữa neo và bê tông là các thông số vật liệu quan trọng quyết định hành vi của neo. 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 trong hiệu năng của neo.
Mục đích của bài viết này là xác minh và kiểm định tính toán neo dính kết trong bê tông cốt thép dựa trên CSFM. Các chiều dài neo khác nhau được chọn theo dữ liệu tài liệu hiện có [1] để kiểm định. Việc xác minh phương pháp được trình bày dựa trên (I) so sánh với phần mềm mô phỏng số hành vi vật liệu đã được thiết lập tốt khác và (II) tuân thủ các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.
Mô tả thí nghiệm
Chương trình thí nghiệm [1] bao gồm thử nghiệm neo kích thước thực được dính kết trong khối bê tông. Các thanh neo được làm từ thép gân (FeE500B) và có đường kính 20 mm. Đối với thép gân, giới hạn chảy là 585 MPa, cường độ chịu kéo cực hạn là 700 MPa, biến dạng cực hạn khi phá hoại là 16%, và mô đun đàn hồi là 210 GPa. Ba chiều sâu neo khác nhau (100, 150, 200 mm) được thử nghiệm để quan sát các dạng phá hoại do dính kết, nón bê tông hoặc thanh neo. Các neo được đổ tại chỗ trong khối bê tông cốt thép (2250x1850x600 mm) để ngăn ngừa phá hoại do tách và ảnh hưởng của cạnh. Cốt thép tối thiểu theo khuyến nghị của EDF (Điện lực Pháp) được lắp đặt, bao gồm một lớp thép 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 lắp đặt để đỡ hai lớp cốt thép. Hàm lượng cốt thép là 0,64%. Cấp độ bền bê tông sử dụng là C40/50. Khối bê tông được cố định bằng hai thanh thép hình được liên kết với tấm thử nghiệm bằng bốn thanh ứng suất trước. Không có áp lực ngang nào được áp dụng xung quanh vùng neo. Kích thủy lực được cố định vào neo bằng hai thanh đối xứng. Tải trọng kéo tĩnh chuẩn được kiểm soát theo chuyển vị với tốc độ gia tải 1 mm/phút, và tải trọng được áp dụng cho đến khi neo bị phá hoại.
1) Thiết lập thí nghiệm nhổ neo - trích từ bài báo: 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 xác định hành vi của bê tông dựa trên lý thuyết dẻo Mohr-Coulomb cho tải trọng đơn điệu. Phương pháp này xem xét hành vi bê tông theo ứng suất chính, trong khi bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông. Ảnh hưởng của kéo bê tông chỉ được tính 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 kéo, điều này có thể dẫn đến biến dạng sai lệch và phân kỳ mô hình.
Nhìn chung, lý thuyết Mohr-Coulomb bao gồm hai thuộc tính cơ bản chi phối sự phát triển của bề 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 bề 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].
Lắp ráp mô hình
Mô hình PTHH được xây dựng bằng các phần tử tứ diện bê tông bậc cao, với thanh 1D nhúng đại diện cho cốt thép được liên kết với nhau 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 các đai thép (xem Hình 2). Mô hình sử dụng gối tựa bề mặt với các bậc tự do X, Y, Z bị hạn chế trên chiều rộng 200 mm. Các neo đổ tại chỗ được đặt ở giữa mẫu thử, và chiều dài neo thay đổi từ 100-200 mm để thử nghiệm tất cả các dạng phá hoại có thể xảy ra.
3) Lắp ráp mô hình
Mô hình neo
Neo được mô hình hóa bằng phần tử THANH chỉ có thể truyền lực nén và kéo. Khía cạnh quan trọng là mô hình liên kết dính và cách neo được kết nối 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 cắt tuyến tính cụ thể Gb, phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của bê tông Ecm và đường kính của neo. Thông tin thêm về mô hình liên kết dính có thể tìm thấy trong Cơ sở lý thuyết [2].
4) Mô hình liên kết dính và MPC
Tiêu chuẩn thiết kế
Bộ quy tắc CEB-FIB 2020
Các kỹ sư có sự hỗ trợ từ các tiêu chuẩn và quy chuẩn hiện hành. Nhận định này gợi lên động lực so sánh giải pháp thực nghiệm với giải pháp theo tiêu chuẩn để xác minh độ an toàn của các tiêu chuẩn và quy chuẩn hiện hành. Các thuộc tính bê tông C40/50 được lấy từ thuộc tính tiêu chuẩn. Các thuộc tính vật liệu cho thanh cốt thép và neo được thử nghiệm thực nghiệm và dữ liệu đã được cung cấp. Chúng tôi đã xác minh giải pháp cho bê tông không bị hạn chế và phân loại điều kiện dính kết tốt/khác. Bộ quy tắc CEB-FIB [3] cung cấp định nghĩa rõ ràng về cách thức hoạt động của liên kết dính. Các đầu vào đã được sử dụng cho mô phỏng số neo trong ABAQUS [4].
4) Bộ quy tắc CEB-FIB 2020 - Mô hình liên kết dính
Eurocode 1992-1-1
Giả định của Eurocode 1992-1-1 [5] đã được sử dụng như điều kiện tiên quyết cho 3D CSFM. Mô hình dẻo cứng với mô hình liên kết dính được tính toán theo đặc trưng và 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 tích hợp trong IDEA StatiCa Connection. Điều này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách cốt thép trong khối bê tông ảnh hưởng đến hành vi cục bộ của neo. Nó cho phép kiểm tra các hiệu ứng như phá hoại neo do kéo và phá hoại nón bê tông.
6) a) Phá hoại thanh neo do kéo; b) Phá hoại nón bê tông
ABAQUS - Mô hình dẻo hư hỏng bê tông
Giả định
Mô hình dẻo hư hỏng bê tông (sau đây gọi là CDP) dựa trên điều kiện dẻo Drucker-Prager [7]. Mô hình này phù hợp cho các vật liệu có ma sát trong, như đất hoặc bê tông. Cường độ chịu kéo thấp hơn đáng kể so với cường độ chịu nén và phần thủy tĩnh của ten-xơ ứng suất đóng vai trò trong sự phát triển của bề mặt dẻo. Dưới ứng suất tổng quát, điều kiện dẻo có bề mặt là một hình nón quay. Mô hình vật liệu cho ứng suất nén và kéo cũng xem xét hành vi sau giới hạn tới hạn, được kiểm soát bởi các thông số hư hỏng, nhận giá trị từ không (không bị hư hỏng) đến một (đối với độ cứng gần bằng không của bê tông trong nén hoặc kéo ở trạng thái sau tới hạn). Thông số hư hỏng càng lớn thì phần tử càng bị vi phạm và không đóng góp vào độ cứng.
Mô hình vật liệu
Mô hình vật liệu một trục trong nén và kéo cho bê tông dựa trên lý thuyết của Thorenfeldt [8]. Tất cả các đầu vào là các 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 hóa cứng tuyến tính được xem xét trong nhánh dẻo của biểu đồ.
Phần tử PTHH
Phần tử C3D8, hay phần tử lục diện với hàm cơ sở tuyến tính và tám điểm tích phân, được sử dụng cho mô hình PTHH của bê tông. Bê tông và cốt thép bao gồm các phần tử T3D2 chỉ truyền tác động dọc trục. Sự tương tác giữa cốt thép và bê tông được cung cấp bởi các ràng buộc MPC trong đó tăng cứng do kéo được tính đến, điều này bao gồm, ở một mức độ nhất định, mô hình lực dính hoặc hiệu ứng chốt.
Lắp ráp mô hình
Mô hình PTHH được thiết kế với điều kiện biên đối xứng để giảm thiểu chi phí tính toán và cải thiện hiệu quả và tốc độ của giải pháp. Điều quan trọng cần lưu ý là do mô hình bị thu nhỏ, lực trên neo sẽ đạt một phần tư lực tối đa. Lưới đã được phân bố đều bằng cách sử dụng tỷ lệ thiên lệch, liên tục giảm kích thước lưới của bê tông về phía vị trí neo. Kích thước lưới cho bê tông nằm trong khoảng (5 - 100 mm). Việc gieo hạt lưới cục bộ giúp tạo ra gradient ứng suất gần neo và cho kết quả chính xác hơn.
7) Lắp ráp mô hình
Neo
Neo được mô hình hóa bằng các phần tử thể tích 3D. Hành vi tiếp xúc dính kết 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 quy luật kéo-tách đàn hồi tuyến tính trước khi xảy ra hư hỏng. Tiếp xúc cứng đã được sử dụng trong nén và hành vi không ma sát trong chuyển động tiếp tuyến. Hành vi dính kết theo phương pháp tuyến và phương cắt đã được đưa vào bằng cách sử dụng độ cứng thể tích và các thông số hư hỏng để biểu diễn hành vi sau tới hạn. Sự khởi đầu của hành vi sau tới hạn được biểu thị bằng ứng suất liên kết dính tối đa theo phương pháp tuyến và phương cắt, và năng lượng phá hủy với mềm hóa tuyến tính hoặc hàm mũ [7].
8) Tiếp xúc dính kết
Kết quả - Neo 100 mm
9) Các thuộc tính đầu vào-đầu ra cần thiết cho mô phỏng
10) Lực tối đa và hệ số sử dụng so với thí nghiệm cho neo 100 mm
11) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thực nghiệm T103-100
12) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu tiêu chuẩn đặc trưng T103-100
Kết quả - Neo 150 mm
12) Các thuộc tính đầu vào-đầu ra cần thiết cho mô phỏng
13) Lực tối đa và hệ số sử dụng so với thí nghiệm cho neo 150 mm
14) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thực nghiệm T103-150
15) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu tiêu chuẩn đặc trưng T103-100
Kết quả - Neo 200 mm
16) Các thuộc tính đầu vào-đầu ra cần thiết cho mô phỏng
17) Lực tối đa và hệ số sử dụng so với thí nghiệm cho neo 200 mm
18) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu thực nghiệm T103-200
19) Đường cong tải trọng - biến dạng - So sánh dữ liệu tiêu chuẩn đặc trưng T103-200
Kết luận
Chương trình thí nghiệm đã nghiên cứu thành công hành vi của neo kích thước thực được dính kết trong khối bê tông cốt thép, sử dụng phương pháp toàn diện tích hợp cả thử nghiệm thực nghiệm và mô hình số. Bằng cách thay đổi chiều sâu neo của các neo (100, 150, 200 mm), nghiên cứu có thể quan sát các dạng phá hoại khác nhau, bao gồm phá hoại liên kết dính, phá hoại nón bê tông và phá hoại thanh neo. Kết quả được so sánh chặt chẽ với các dự đoán từ bộ quy tắc mô hình CEB-FIB và Eurocode, xác nhận tính an toàn và độ tin cậy của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành cho các hệ thống neo như vậy.
Việc sử dụng các kỹ thuật mô hình hóa tiên tiến, như mô phỏng 3D CSFM và ABAQUS với mô hình dẻo hư hỏng bê tông, cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về sự tương tác giữa bê tông và cốt thép, cũng như hành vi liên kết dính dưới tải trọng kéo tĩnh chuẩn. Các kết quả xác nhận hiệu quả của các phương pháp được đề xuất trong việc dự đoán hiệu năng neo, nhấn mạnh tầm quan trọng của mô hình hóa vật liệu chính xác và điều kiện biên phù hợp trong các mô phỏng như vậy.
Sự so sánh giữa hành vi thực tế quan sát được trong thí nghiệm và giải pháp số thu được bằng 3D CSFM và ABAQUS cho thấy mức tương quan khoảng 85%. Có thể kết luận rằng không có giải pháp số nào vượt quá dữ liệu thực nghiệm và duy trì sai số 15% so với thí nghiệm, điều này được coi là chấp nhận được từ góc độ kỹ thuật. Khía cạnh quan trọng cũng là các dạng phá hoại phù hợp, ngoại trừ chiều dài neo 200 mm trong 3D CSFM, nơi xảy ra dạng phá hoại kết hợp giữa nón bê tông và nhổ neo trước khi phá hoại thanh thép. 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 bộ quy tắc CEB-FIB 2020 và Eurocode 1992-1-1 phù hợp với kết quả thực nghiệm trong khoảng 30-40%. Điều này cho thấy phương pháp được sử dụng trong tiêu chuẩn đảm bảo an toàn. Điều quan trọng cần lưu ý là các giá trị thu được là các giá trị đặc trưng, không phải giá trị thiết kế, do đó cường độ thiết kế thực tế còn thấp hơn.
Các kết quả của báo cáo cần truyền đạt đến các kỹ sư rằng phương pháp 3D CSFM cho ra kết quả an toàn tuân thủ Eurocode 1992-1-1[5], và dẫn đến 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 để cải thiện 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 hệ số an toàn được duy trì đầy đủ trong các ứng dụng thực tế. Các kết quả thực nghiệm, kết hợp với các phân tích lý thuyết và số, cung cấp một khung 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] Liên đoàn Quốc tế về Bê tông Kết cấu (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] Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu (CEN). EN 1992-1-1:2004: Eurocode 2 – Thiết kế kết cấu bê tông – Phần 1-1: Quy tắc chung và quy tắc cho nhà. Tháng 12 năm 2004. https://www.phd.eng.br/wp-content/uploads/2015/12/en.1992.1.1.2004.pdf.
[6] Ủy ban Tiêu chuẩn hóa Châu Âu (CEN). EN 1992-4:2018: Eurocode 2 – Thiết kế kết cấu bê tông – Phần 4: Thiết kế phần tử liên kết sử dụng trong bê tông. Brussels: CEN, tháng 4 năm 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).