Rủi ro địa phương trong các vấn đề cơ nhiệt liên kết: Ứng dụng cho bê tông, thép và bê tông cốt thép

• Tác giả: Ngo, Van Minh
• Người hướng dẫn: Ibrahimbegovic, Adnan
• Trường học: École Normale Supérieure de Cachan
• Chuyên ngành: Mecanique- Genie Mecanique – Genie Civil
• Đề tài: Localized Failure for Coupled Thermo-Mechanics Problems: Applications to Steel, Concrete and Reinforced Concrete
• Loại tài liệu: these de doctorat
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Cachan

• Remerciements
• LỜI CẢM ƠN ĐẾN GIA ĐÌNH
• Abstract
• Résumé
• 1. Problem statement and its importance
• 1.1. Previous works on stress-resultant model
• 1.2. Previous works on multi-dimensional thermodynamics model
• 1.3. Aims, scope and method
• 2. Thermo-plastic coupling behavior of steel: one-dimensional simulation
• 2.1. Theoretical formulation of localized thermo-mechanical coupling problem
• 2.1.1. Continuum thermo-plastic model and its balance equation
• 2.1.2. Thermodynamics model for localized failure and modified balance equation
• 2.1.3. Embedded-Discontinuity Finite Element Method (ED-FEM) implementation
• 2.2. „Adiabatic‟ operator splitting solution procedure
• 2.3. Embedded discontinuity finite element implementation for the mechanical part
• 2.4. Embedded discontinuity finite element implementation for the thermal part
• 2.4.1. Simple tension imposed temperature example with fixed mesh
• 2.4.2. Mesh refinement, convergence and mesh objectivity
• 2.4.3. Heating effect of mechanical loading
• 3. Behavior of concrete under fully thermo-mechanical coupling conditions
• 3.1. General continuum thermodynamic model
• 3.2. Localized failure in damage model
• 3.3. Discontinuity in the heat flow
• 3.4. System of local balance equation
• 3.5. Finite element approximation of the problem
• 3.5.1. Finite element approximation for displacement field
• 3.5.2. Finite element interpolation function for temperature
• 3.5.3. Finite element equation for the problem
• 3.5.4. Operator split solution procedure
• 3.6. Tension Test and Mesh independency
• 3.7. Simple bending test
• 3.8. Concrete beam subjected to thermo-mechanical loads
• 4. Thermomechanics failure of reinforced concrete frames
• 4.1. Stress-resultant model of a reinforced concrete beam element subjected to mechanical and thermal loads
• 4.1.1. Stress and strain condition at a position in reinforced concrete beam element under mechanical and temperature loading
• 4.1.2. Response of a reinforced concrete element under external loading and fire loading
• 4.1.3. Effect of temperature loading, axial force and shear load on mechanical moment-curvature response of reinforced concrete beam element
• 4.1.4. Compute the mechanical shear load – shear strain response of a reinforced concrete element subjected to pure shear loading under elevated temperature
• 4.2. Finite element analysis of reinforced concrete frame
• 4.2.1. Timoshenko beam with strong discontinuities
• 4.2.2. Stress-resultant constitutive model for reinforced concrete element
• 4.2.3. Finite element formulation
• 4.3. Simple four-point bending test
• 4.4. Reinforced concrete frame subjected to fire
• 5. Conclusions and Perpectives

I. Giới Thiệu Phân Tích Localized Failure Tổng Quan Vấn Đề

Trong những thập kỷ gần đây, hiện tượng localized failure (phá hủy cục bộ) của các công trình lớn dưới tác động của tải trọng thermo-mechanical coupling (nhiệt cơ học kết hợp) đã trở thành mối quan tâm hàng đầu trong ngành xây dựng dân dụng. Nguyên nhân chính là do số lượng các công trình bị hư hỏng và sụp đổ do tai nạn hỏa hoạn ngày càng gia tăng. Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình thermo-mechanical có khả năng mô tả sự tương tác giữa các hiệu ứng vật lý này, đặc biệt là trong vùng localized failure. Vấn đề cốt lõi là làm thế nào tải trọng cơ học ảnh hưởng đến nhiệt độ của vật liệu và ngược lại, tải trọng nhiệt ảnh hưởng đến phản ứng cơ học của kết cấu như thế nào. Bài toán trở nên phức tạp hơn khi xét đến vùng localized failure, nơi lý thuyết cơ học môi trường liên tục cổ điển không còn áp dụng được do sự gián đoạn trong trường chuyển vị và trường nhiệt. Dẫn chứng từ tài liệu gốc cho thấy, sự gián đoạn này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình mô phỏng.

1.1. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu Thermo Mechanical Coupling

Nghiên cứu về thermo-mechanical coupling có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và độ bền của các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình chịu tải trọng khắc nghiệt như hỏa hoạn hoặc động đất. Việc hiểu rõ cơ chế localized failure dưới tác động của thermo-mechanical coupling giúp các kỹ sư thiết kế và xây dựng các công trình có khả năng chống chịu tốt hơn, giảm thiểu rủi ro thiệt hại về người và tài sản. Việc sử dụng các mô hình số chính xác và hiệu quả, như finite element analysis, là vô cùng quan trọng để dự đoán và kiểm soát hành vi của kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt. Cần có những nghiên cứu chuyên sâu hơn để phát triển các phương pháp mô phỏng tiên tiến, nhằm nâng cao độ tin cậy của quá trình thiết kế và đánh giá an toàn công trình.

1.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Localized Failure Analysis

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến localized failure analysis trong các bài toán thermo-mechanical coupling, bao gồm: đặc tính vật liệu (ví dụ, steel yielding, concrete cracking), hình dạng và kích thước kết cấu, điều kiện biên, loại tải trọng (cơ học và nhiệt), và tốc độ gia tải. Damage mechanics và fracture mechanics đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả sự phát triển của hư hỏng và nứt gãy trong vật liệu. Các mô hình vật liệu phải được thiết kế để nắm bắt các hiệu ứng nhiệt độ cao, bao gồm sự thay đổi trong cường độ, độ cứng và độ dẻo. Việc lựa chọn material failure criteria phù hợp là rất quan trọng để dự đoán chính xác sự khởi đầu và phát triển của localized failure. Do đó, cần một sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết, thực nghiệm và numerical simulation để có được sự hiểu biết toàn diện về hiện tượng này.

II. Thách Thức Trong Mô Hình Hóa Localized Failure Thermo Mechanics

Việc mô hình hóa localized failure trong các bài toán thermo mechanics đặt ra nhiều thách thức đáng kể. Lý thuyết cơ học môi trường liên tục cổ điển thường không đủ khả năng mô tả chính xác các hiện tượng xảy ra trong vùng localized failure, nơi sự gián đoạn trong trường chuyển vị và trường nhiệt là rất quan trọng. Việc phát triển các mô hình vật liệu phù hợp, có khả năng nắm bắt các hiệu ứng phức tạp của thermo-mechanical coupling và damage mechanics là một nhiệm vụ khó khăn. Thêm vào đó, việc giải các bài toán thermo mechanics thường đòi hỏi các phương pháp số phức tạp, tốn nhiều thời gian tính toán. Cần có những nghiên cứu sâu rộng để vượt qua những thách thức này và phát triển các phương pháp mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn.

2.1. Sự Gián Đoạn trong Trường Chuyển Vị Heat Flow

Trong vùng localized failure, sự gián đoạn trong trường chuyển vị và heat flow (dòng nhiệt) là một đặc điểm quan trọng. Điều này đòi hỏi các phương pháp số đặc biệt, như embedded-discontinuity finite element method, để có thể mô tả chính xác các hiện tượng này. Các phương pháp cổ điển dựa trên giả định về môi trường liên tục thường không thể nắm bắt được sự gián đoạn này, dẫn đến kết quả mô phỏng không chính xác. Nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật mô hình hóa tiên tiến, có khả năng xử lý sự gián đoạn trong trường chuyển vị và heat flow một cách hiệu quả.

2.2. Mô Hình Vật Liệu Cho Steel Concrete Composite Structures

Việc mô hình hóa vật liệu cho steel-concrete composite structures (kết cấu thép-bê tông liên hợp) trong điều kiện thermo-mechanical coupling là một thách thức lớn. Các vật liệu như thép và bê tông có các đặc tính cơ học và nhiệt khác nhau, và sự tương tác giữa chúng có thể trở nên rất phức tạp dưới tác động của nhiệt độ cao. Các mô hình vật liệu cần phải tính đến sự thay đổi trong cường độ, độ cứng và độ dẻo của cả thép và bê tông theo nhiệt độ. Ngoài ra, cần phải mô tả chính xác các hiện tượng như bond-slip behavior (hiệu ứng trượt dính) giữa thép và bê tông. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình vật liệu tiên tiến, có khả năng mô tả chính xác hành vi của steel-concrete composite structures trong điều kiện thermo-mechanical coupling.

2.3. Yêu Cầu về Tính Toán Trong Numerical Simulation

Giải các bài toán localized failure và thermo-mechanical coupling thường đòi hỏi numerical simulation (mô phỏng số) phức tạp, tốn nhiều thời gian tính toán. Các mô hình vật liệu tiên tiến và các phương pháp số đặc biệt thường đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán, đặc biệt là khi mô phỏng các kết cấu lớn hoặc các quá trình phức tạp. Cần có những nghiên cứu để phát triển các phương pháp số hiệu quả hơn, giảm thiểu thời gian tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác của kết quả. Các kỹ thuật như song song hóa và phân tích đa tỷ lệ có thể giúp cải thiện hiệu suất tính toán của numerical simulation.

III. Ứng Dụng EDFEM Phân Tích Localized Failure Trong Cơ Nhiệt

Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với gián đoạn nhúng (Embedded-Discontinuity Finite Element Method - EDFEM) để giải quyết các vấn đề thermo-mechanical coupling. EDFEM cho phép mô tả sự gián đoạn trong trường chuyển vị và nhiệt độ một cách rõ ràng, phù hợp cho việc phân tích localized failure. Phương pháp này được áp dụng cho cả thép và bê tông, hai vật liệu quan trọng trong xây dựng dân dụng. Quá trình giải được thực hiện bằng phương pháp tách toán tử 'adiabatic', chia bài toán thành phần cơ học và phần nhiệt. Mỗi phần được giải riêng biệt, sau đó kết hợp lại để có được giải pháp tổng thể. Dẫn chứng từ tài liệu gốc minh họa rõ nét cách EDFEM được tích hợp vào quá trình mô phỏng.

3.1. Ưu Điểm Của Phương Pháp Embedded Discontinuity Finite Element Method

Phương pháp embedded-discontinuity finite element method (EDFEM) có nhiều ưu điểm so với các phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống trong việc phân tích localized failure. EDFEM cho phép mô tả trực tiếp sự gián đoạn trong trường chuyển vị và trường nhiệt, điều mà các phương pháp truyền thống không thể làm được. Điều này giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của kết quả mô phỏng, đặc biệt là trong vùng localized failure. EDFEM cũng có khả năng hội tụ tốt hơn và ít nhạy cảm hơn với kích thước lưới so với các phương pháp khác. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các biến thể EDFEM tiên tiến hơn, có khả năng xử lý các bài toán thermo-mechanical coupling phức tạp hơn.

3.2. Thủ Tục Tách Toán Tử Adiabatic Trong Computational Mechanics

Thủ tục tách toán tử 'adiabatic' là một phương pháp hiệu quả để giải các bài toán thermo-mechanical coupling. Phương pháp này chia bài toán thành hai phần: phần cơ học và phần nhiệt, và giải chúng một cách tuần tự. Điều này giúp giảm đáng kể độ phức tạp của bài toán và cho phép sử dụng các phương pháp số chuyên dụng cho từng phần. Tuy nhiên, cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng quá trình tách toán tử không làm mất đi tính chính xác của kết quả. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các lược đồ tách toán tử tiên tiến hơn, có khả năng duy trì độ chính xác và ổn định của quá trình mô phỏng.

IV. Constitutive Modeling Cho Bê Tông Thép Trong Bài Toán Cơ Nhiệt

Luận án phát triển các mô hình vật liệu ( constitutive modeling) cho cả thép và bê tông, có khả năng kiểm soát cả hành vi hóa bền do dẻo và/hoặc hư hỏng, cũng như hành vi suy yếu do localized failure. Các mô hình này được thiết kế để nắm bắt các hiệu ứng phức tạp của thermo-mechanical coupling và cho phép mô phỏng chính xác hành vi của kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt. Việc xây dựng các mô hình constitutive modeling chính xác là yếu tố then chốt để có được kết quả mô phỏng đáng tin cậy. Các mô hình phải phản ánh đúng các đặc tính vật liệu và sự thay đổi của chúng theo nhiệt độ.

4.1. Mô Hình Hư Hỏng Dựa Trên Damage Mechanics Cho Bê Tông

Mô hình hư hỏng dựa trên damage mechanics (cơ học hư hỏng) là một công cụ quan trọng để mô tả hành vi của bê tông trong điều kiện thermo-mechanical coupling. Các mô hình này nắm bắt sự tích lũy của hư hỏng trong vật liệu dưới tác động của tải trọng, dẫn đến sự suy giảm trong cường độ và độ cứng. Các mô hình damage mechanics có thể được sử dụng để dự đoán sự hình thành và phát triển của các vết nứt trong bê tông, cũng như sự suy yếu của kết cấu do hư hỏng. Cần có những nghiên cứu để phát triển các mô hình damage mechanics tiên tiến hơn, có khả năng mô tả chính xác hành vi của bê tông trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng phức tạp.

4.2. Mô Hình Dẻo Suy Yếu Cho Thép Trong Điều Kiện Nhiệt Độ Cao

Việc mô hình hóa hành vi dẻo và suy yếu của thép trong điều kiện nhiệt độ cao là rất quan trọng để phân tích localized failure trong các kết cấu thép và bê tông cốt thép. Các mô hình này cần phải nắm bắt sự thay đổi trong cường độ, độ cứng và độ dẻo của thép theo nhiệt độ. Ngoài ra, cần phải mô tả chính xác các hiện tượng như steel yielding và sự hình thành của các vùng biến dạng dẻo. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình tiên tiến, có khả năng mô tả chính xác hành vi của thép trong điều kiện nhiệt độ cao và tải trọng phức tạp.

V. Ứng Dụng Phân Tích Khung Bê Tông Cốt Thép Chịu Lửa Phương Pháp Mới

Luận án đề xuất một phương pháp mới để xác định phản ứng cuối cùng của khung bê tông cốt thép chịu tải trọng lửa. Phương pháp này không chỉ xem xét sự suy giảm của các đặc tính vật liệu do nhiệt độ mà còn xem xét hiệu ứng nhiệt trong việc xác định phản ứng tổng thể của kết cấu. Hơn nữa, phương pháp này cũng xem xét sự phá hủy do trượt cùng với sự phá hủy do uốn trong việc hình thành sự phá hủy tổng thể của kết cấu cốt thép. Phương pháp này được kỳ vọng sẽ nâng cao độ chính xác của việc dự đoán và đánh giá khả năng chịu lửa của các công trình.

5.1. Xem Xét Structural Integrity Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Cao

Việc xem xét structural integrity (tính toàn vẹn kết cấu) và ảnh hưởng của nhiệt độ cao là rất quan trọng trong việc phân tích khả năng chịu lửa của các kết cấu bê tông cốt thép. Nhiệt độ cao có thể làm suy yếu đáng kể các đặc tính vật liệu của cả thép và bê tông, dẫn đến sự suy giảm trong cường độ, độ cứng và độ dẻo. Ngoài ra, nhiệt độ cao có thể gây ra các ứng suất nhiệt, làm tăng thêm tải trọng lên kết cấu. Các phân tích cần phải tính đến tất cả các hiệu ứng này để có được kết quả chính xác. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp phân tích tiên tiến hơn, có khả năng đánh giá chính xác structural integrity của các kết cấu bê tông cốt thép trong điều kiện lửa.

5.2. Đánh Giá Khả Năng Chịu Cắt Uốn Phá Hủy Tổng Thể Kết Cấu

Việc đánh giá khả năng chịu cắt và uốn là rất quan trọng trong việc xác định sự phá hủy tổng thể của các kết cấu bê tông cốt thép. Sự phá hủy do cắt và uốn có thể xảy ra đồng thời hoặc liên tiếp, và sự tương tác giữa chúng có thể rất phức tạp. Các phân tích cần phải tính đến cả hai loại phá hủy này để có được kết quả chính xác. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình tiên tiến hơn, có khả năng mô tả chính xác sự tương tác giữa sự phá hủy do cắt và uốn trong các kết cấu bê tông cốt thép.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Localized Failure Cơ Nhiệt

Nghiên cứu này đã đóng góp vào việc phát triển các mô hình và phương pháp số để phân tích localized failure trong các bài toán thermo-mechanical coupling. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu thêm. Các mô hình vật liệu có thể được cải thiện để nắm bắt các hiệu ứng phức tạp hơn của thermo-mechanical coupling và damage mechanics. Các phương pháp số có thể được phát triển để giải quyết các bài toán lớn hơn và phức tạp hơn. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc ứng dụng các phương pháp này để phân tích các kết cấu thực tế và đánh giá khả năng chịu lửa và seismic analysis (phân tích địa chấn) của chúng. Việc kết hợp các kết quả nghiên cứu này vào quá trình thiết kế và xây dựng có thể giúp nâng cao an toàn và độ bền của các công trình.

6.1. Mở Rộng Mô Hình Cho Bài Toán 2D 3D Với Giao Diện Liên Kết

Công việc nghiên cứu có thể được mở rộng và hoàn thiện để giải quyết hành vi của bê tông cốt thép trong các trường hợp 2D hoặc 3D, xem xét hành vi của giao diện liên kết. Điều này đòi hỏi sự phát triển của các mô hình giao diện phức tạp hơn, có khả năng mô tả chính xác sự tương tác giữa thép và bê tông trong điều kiện tải trọng phức tạp. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp mô hình hóa tiên tiến, có khả năng nắm bắt các hiệu ứng quan trọng của giao diện liên kết và cải thiện độ chính xác của các phân tích.

6.2. Nghiên Cứu Durability Analysis Các Loại Phá Hủy Khác

Nghiên cứu có thể được mở rộng để xem xét durability analysis (phân tích độ bền) và các loại phá hủy khác trong vật liệu, chẳng hạn như mỏi hoặc mất ổn định. Điều này đòi hỏi sự phát triển của các mô hình hư hỏng và suy yếu tiên tiến hơn, có khả năng mô tả chính xác sự tích lũy của hư hỏng trong vật liệu theo thời gian và dưới tác động của các điều kiện môi trường khác nhau. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp phân tích tiên tiến hơn, có khả năng dự đoán chính xác tuổi thọ và độ bền của các kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt.

6.3. Ứng Dụng Phân Tích Progressive Collapse Tác Động Động

Các mô hình được đề xuất có thể được cải thiện để xác định phản ứng động của kết cấu khi chịu động đất và/hoặc tác động. Điều này đòi hỏi sự phát triển của các phương pháp phân tích động tiên tiến hơn, có khả năng mô tả chính xác hành vi của kết cấu dưới tác động của tải trọng động. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc phát triển các mô hình vật liệu và các phương pháp số hiệu quả, có khả năng giải quyết các bài toán động phức tạp và dự đoán chính xác phản ứng của kết cấu trong điều kiện khắc nghiệt.