Kiểm tra đơn vị: Thử nghiệm lực cắt trong dầm có lượng đai thép thấp

Giới thiệu 

Trong bài viết sắp tới, chúng tôi nhằm khám phá sự phá hoại do lực cắt trong dầm có lượng đai thép thấp. Chúng tôi sẽ so sánh dữ liệu thực nghiệm với mô hình Khối Đặc 3D-CSFM để phân tích phản ứng tải trọng - biến dạng và dự đoán các dạng phá hoại. Kiểm tra đơn vị này bao gồm ba ví dụ, mỗi ví dụ có sự khác nhau về lượng cốt thép và kích thước dầm. Ngoài ra, bài viết này mở rộng xác minh hiện có của 2D CSFM[1], cung cấp một phân tích 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 ở phần sau của bài viết.

Định nghĩa các dạng phá hoại

Để tạo điều kiện so sánh các dạng phá hoại quan sát được trong thực nghiệm với những dạng được dự đoán bởi CSFM, các dạng phá hoại được phân loại là uốn (F) hoặc cắt (S). Mặc dù sự chảy dẻo của cốt thép không cấu thành phá hoại vật liệu theo nghĩa đen, nhưng nó được đưa vào như một phần của phân loại dạng phá hoại kết hợp với sự nén dập bê tông. Sự phân biệt này rất quan trọng để xác định các phá hoại nén dập bê tông xảy ra mà không có sự chảy dẻo của cốt thép—thường rất giòn—so với những phá hoại xảy ra sau khi cốt thép đã chảy dẻo, có thể thể hiện một mức độ khả năng biến dạng nhất định.

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

Thiết lập kiểm tra đơn vị

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

Các đặc tính 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 tính vật liệu cần thiết để nhập vào CSFM đã được nêu trong các 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 2D và 3D CSFM được lấy từ Bảng 1.2 và Bảng 1.3 tương ứng. Trong 3D-CSFM, các dầm được mô hình hóa bằng lớp mô hình khối đặc trong IDEA StatiCa Detail. Tải trọng tác dụng lên dầm được đặt tại giữa nhịp dưới dạng tải trọng mặt trên diện tích 0,2 m nhân với b (chiều rộng dầm), với lực kết quả tác dụng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm. Điều kiện gối tựa của dầm được mô hình hóa là gối đơn giản, sử dụng gối mặt có kích thước 0,15 m nhân với 0,30 m. Cấu hình này được thiết kế để tái tạo chính xác các điều kiện thiết lập thực nghiệm và cung cấp mô phỏng thực tế về ứng xử của dầm dưới tải trọng.

Như đã nêu trước đó, hầu hết tất cả các thông số, bao gồm kích thước lưới, được duy trì theo cài đặt mặc định trong IDEA StatiCa Detail. Tuy nhiên, một điều chỉnh cụ thể đã được thực hiện cho việc mô hình hóa đai thép: "Mô hình Pull-Out" được sử dụng rõ ràng thay vì "Mô hình Tension Chord" mặc định. Mô hình này được tự động áp dụng trong mô hình 2D-CSFM theo lớp Beam cho đai thép. Sự điều chỉnh này được thực hiện để đảm bảo tính toán chính xác đai thép trong loại mô hình Khối Đặc 3D-CSFM trong chế độ developer của IDEA StatiCa Detail. Điều chỉnh này rất quan trọng để căn chỉnh mô phỏng 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 về giá trị 1,0. 

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

Phản ứng tải trọng - biến dạng

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

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

Sự so sánh tải trọng tới hạn có thể được xem từ Hình 2.5 và phần trăm mức độ phù hợp từ Bảng 1.4. Đối với tất cả các ví dụ đều có sự phù hợp nhất quán với 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 kiểm tra đơn vị, sự so sánh được thực hiện giữa ứng xử thực nghiệm và các mô phỏng CSFM, cả 2D và 3D, của dầm có lượng cốt thép thấp. Các nhận xét chính từ bài viết bao gồm:

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

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

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, và P. Komarkova. 2020. "Compatible Stress Field Design Of Structural Concrete. Berlin, Đức." AZ Druck und Datentechnik GmbH, ISBN 978-3-906916-95-8.

[2] - Vecchio, F.J., và 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." Luận án tiến sĩ, Wien: TU Wien, Khoa Kỹ thuật Xây dựng.