Mô Phỏng Ứng Xử Rạn Nứt Của Cột Bê Tông Cốt Thép Được Gia Cường Bằng Tấm Thép Sử Dụng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

• Tác giả: Lê Tuấn Phong
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Tích Thiện
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây Dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Ứng Xử Rạn Nứt Cột Bê Tông Cốt Thép Gia Cường Bằng Tấm Thép - Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Long An

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT
• 1.3.1. Tóm tắt một số phương pháp gia cường kết cấu BTCT
• 1.3.2. Phương pháp gia cường kết cấu BTCT bằng thép tấm
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Đối tượng nghiên cứu
• 1.6. Tính cần thiết của đề tài
• 1.7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.8. Một số đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.9. Dự kiến kết quả đạt được
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Xác định đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép sử dụng trong Ansys
• 2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn cho nứt kết cấu bê tông cốt thép
• 2.3. Tiêu chuẩn nứt bê tông
• 2.4. Tóm tắt chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
• 3.1. Các số liệu liên quan đến mô hình
• 3.2. Xây dựng mô hình ANSYS
• 3.3. Chia lưới mô hình
• 3.4. Kết quả xây dựng mô hình ANSYS
• 3.5. Thiết lập điều kiện biên
• 3.5.1. Điều kiện biên
• 3.5.2. Điều kiện biên về chuyển vị
• 3.5.3. Điều kiện về lực
• 3.6. Kết quả nứt và chuyển vị
• 3.7. Nhận xét kết quả
• 3.8. Ưu điểm và khuyết điểm
• 3.8.1. Nhược điểm
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan

Kết cấu cột bê tông cốt thép (BTCT) là một phần quan trọng trong xây dựng, được sử dụng rộng rãi trong các công trình như nhà ở, cầu, và các công trình dân dụng khác. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, cột BTCT thường gặp phải hiện tượng rạn nứt do nhiều nguyên nhân như tải trọng, khí hậu, và các tác động môi trường. Việc mô phỏng ứng xử của cột BTCT trước và sau khi gia cường bằng tấm thép là cần thiết để đánh giá hiệu quả của các phương pháp gia cường. Nghiên cứu này không chỉ giúp xác định các phương pháp gia cường hiệu quả mà còn cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc áp dụng các công nghệ mới trong xây dựng.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tìm ra phương pháp gia cường cột BTCT tối ưu nhằm nâng cao sức bền và giảm thiểu sự phá hủy. Nghiên cứu sẽ sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và phân tích ứng xử của cột BTCT, từ đó đưa ra các kết quả chính xác và đáng tin cậy. Việc áp dụng FEM trong nghiên cứu này sẽ giúp xác minh độ tin cậy của các kết quả tính toán và so sánh với các kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra những nhận xét quan trọng về hiệu quả của các phương pháp gia cường.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, đặc biệt trong bối cảnh các công trình xây dựng ngày càng phải chịu nhiều tác động từ môi trường. Việc gia cường cột BTCT không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của công trình mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Các phương pháp gia cường được nghiên cứu sẽ cung cấp những giải pháp hiệu quả cho các công trình đã xuống cấp, đồng thời mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xây dựng. Điều này cũng góp phần nâng cao chất lượng công trình và giảm thiểu chi phí sửa chữa trong tương lai.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép và nội dung của phương pháp số trong tính toán phân tích kết cấu BTCT. Bê tông cốt thép là vật liệu giòn, có ứng xử khác nhau khi chịu kéo và nén. Cường độ chịu kéo của bê tông chỉ đạt khoảng 8-15% cường độ chịu nén. Việc xác định các đặc trưng này là rất quan trọng trong việc mô phỏng ứng xử của cột BTCT. Các mô hình ứng suất-biến dạng như của Todeschini, Kent và Park, và Popovics sẽ được áp dụng để phân tích ứng xử của bê tông trong các giai đoạn khác nhau. Điều này giúp đảm bảo rằng các kết quả tính toán là chính xác và có thể áp dụng trong thực tế.

2.1. Đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép

Đặc trưng cơ học của bê tông cốt thép được xác định qua các thông số như cường độ chịu nén, môđun đàn hồi và các yếu tố ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng. Các mô hình ứng suất-biến dạng sẽ được sử dụng để mô phỏng hành vi của bê tông trong các điều kiện khác nhau. Việc hiểu rõ các đặc trưng này sẽ giúp trong việc thiết kế và gia cường cột BTCT một cách hiệu quả, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công và sử dụng.

2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích kết cấu. Phương pháp này cho phép mô phỏng các ứng xử phức tạp của cột BTCT dưới tác động của tải trọng và các yếu tố môi trường. Việc sử dụng FEM trong nghiên cứu này sẽ giúp xác định chính xác các điểm yếu trong kết cấu và đề xuất các giải pháp gia cường phù hợp. Các phần mềm như ANSYS sẽ được sử dụng để thực hiện các mô phỏng, từ đó đưa ra các kết quả đáng tin cậy cho việc phân tích và thiết kế.

III. Mô hình tính toán

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình tính toán cho cột BTCT sử dụng phần mềm ANSYS. Các số liệu liên quan đến mô hình sẽ được thu thập và phân tích để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Việc chia lưới mô hình là một bước quan trọng trong quá trình mô phỏng, giúp tối ưu hóa kết quả tính toán. Các điều kiện biên cũng sẽ được thiết lập để phản ánh đúng các tình huống thực tế mà cột BTCT phải chịu. Kết quả từ mô hình sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để xác minh độ tin cậy của phương pháp.

3.1. Xây dựng mô hình ANSYS

Mô hình ANSYS sẽ được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của cột BTCT, bao gồm kích thước, vật liệu và các điều kiện biên. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo rằng các kết quả tính toán phản ánh đúng ứng xử thực tế của cột. Các phần tử sẽ được chia lưới một cách hợp lý để tối ưu hóa quá trình tính toán và giảm thiểu sai số. Kết quả từ mô hình sẽ cung cấp thông tin quý giá cho việc đánh giá hiệu quả của các phương pháp gia cường.

3.2. Kết quả và nhận xét

Kết quả từ mô hình ANSYS sẽ được phân tích để rút ra các nhận xét về hiệu quả của các phương pháp gia cường. Việc so sánh kết quả mô phỏng với các kết quả thực nghiệm sẽ giúp xác minh độ tin cậy của mô hình. Các yếu tố như nứt và chuyển vị sẽ được xem xét kỹ lưỡng để đánh giá khả năng chịu tải của cột BTCT sau khi gia cường. Những nhận xét này sẽ là cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp gia cường hiệu quả hơn trong tương lai.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc gia cường cột BTCT bằng tấm thép là một phương pháp hiệu quả để nâng cao khả năng chịu tải và giảm thiểu hiện tượng rạn nứt. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ bền của cột mà còn không làm thay đổi kích thước của kết cấu. Việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong nghiên cứu này đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về ứng xử của cột BTCT, từ đó mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực xây dựng.

4.1. Đề xuất

Dựa trên các kết quả nghiên cứu, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp gia cường khác nhau cho cột BTCT. Việc áp dụng các công nghệ mới và vật liệu tiên tiến sẽ giúp nâng cao hiệu quả của các phương pháp gia cường. Đồng thời, cần có các nghiên cứu thực nghiệm để xác minh các kết quả mô phỏng, từ đó đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của các phương pháp gia cường trong thực tế.

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu cột bê tông cốt thép (BTCT) là thành phần chịu lực chủ yếu trong nhiều công trình xây dựng như nhà ở, cầu đường, và các công trình dân dụng khác. Theo ước tính, hơn 70% các công trình xây dựng hiện nay sử dụng kết cấu BTCT do tính ưu việt về khả năng chịu lực và độ bền. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, các cột BTCT thường xuất hiện hiện tượng nứt, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng chịu tải và tuổi thọ công trình. Việc nghiên cứu ứng xử của cột BTCT trước và sau khi gia cường nhằm nâng cao sức bền và hạn chế sự phá hủy là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng ứng xử rạn nứt của cột BTCT được gia cường bằng các tấm thép, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm ANSYS. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình chính xác, phân tích sự hình thành vết nứt và chuyển vị của cột, từ đó đánh giá hiệu quả của các phương pháp gia cường khác nhau. Phạm vi nghiên cứu bao gồm 6 mô hình cột BTCT kích thước 200 × 200 × 1200 mm, với các phương án gia cường tấm thép dày 5 mm, được thực hiện tại Long An trong năm 2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc lựa chọn phương pháp gia cường tối ưu, giúp tăng khả năng chịu lực của cột BTCT lên từ 1,5 đến 2 lần, đồng thời giảm thiểu sự phá hủy và chuyển vị lớn. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình, giảm chi phí sửa chữa và bảo trì trong ngành xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các mô hình lý thuyết về ứng suất - biến dạng của bê tông cốt thép, trong đó nổi bật là:

• Mô hình Kachlakev: Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng đa tuyến tính, đơn giản nhưng thể hiện đầy đủ ứng xử của bê tông trong và ngoài miền đàn hồi, được sử dụng để mô tả đặc trưng cơ học của bê tông trong phần mềm ANSYS.

• Tiêu chuẩn phá hoại Willam và Warnke: Tiêu chuẩn này được dùng để xác định điều kiện nứt và phá hoại của bê tông dựa trên trạng thái ứng suất chính ba chiều, giúp mô phỏng chính xác sự hình thành vết nứt trong kết cấu BTCT.

• Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần tử SOLID65 cho bê tông, LINK180 cho cốt thép, và SOLID185 cho tấm thép gia cường. Mô hình cốt thép được xây dựng theo mô hình "discrete" để mô phỏng chính xác sự tương tác giữa bê tông và thép, bao gồm cả khả năng trượt giữa hai vật liệu.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu gồm: ứng suất - biến dạng bê tông, mô hình phần tử hữu hạn, và tiêu chuẩn nứt bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu thực nghiệm từ các mô hình cột BTCT kích thước 200 × 200 × 1200 mm, cùng các thông số vật liệu được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam và các tài liệu kỹ thuật trong và ngoài nước. Các tấm thép gia cường có kích thước khác nhau (150×100×5 mm và 150×50×5 mm) được bố trí hợp lý trên cột.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm ANSYS để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn, chia lưới phần tử bê tông và cốt thép với kích thước tối ưu nhằm cân bằng giữa độ chính xác và thời gian tính toán. Điều kiện biên được thiết lập bao gồm điều kiện chuyển vị và lực tác dụng mô phỏng thực tế thí nghiệm.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các bước: thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, so sánh kết quả với dữ liệu thực nghiệm, và tổng hợp kết luận.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả gia cường bằng tấm thép: Mô hình gia cường bằng tấm thép dày 5 mm giúp tăng khả năng chịu tải của cột BTCT lên khoảng 1,7 lần so với cột chưa gia cường. Kết quả mô phỏng cho thấy sự giảm đáng kể chuyển vị ngang, giảm từ 30 mm xuống còn khoảng 12 mm.

2. Phân bố vết nứt: Mô hình FEM cho thấy vết nứt xuất hiện chủ yếu ở vùng chịu kéo, với chiều rộng vết nứt giảm trung bình 40% sau khi gia cường bằng tấm thép. Điều này phù hợp với kết quả thực nghiệm tại một số địa phương.

3. So sánh các phương án gia cường: Trong 6 mô hình nghiên cứu, phương án sử dụng 3 tấm thép kích thước lớn (150×100×5 mm) cho hiệu quả gia cường tốt hơn so với phương án dùng 6 tấm nhỏ (150×50×5 mm), với khả năng chịu lực tăng thêm khoảng 15%.

4. Độ tin cậy mô hình FEM: So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm cho thấy sai số dưới 10% về chuyển vị và ứng suất, khẳng định độ chính xác và tin cậy của phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn trong nghiên cứu ứng xử cột BTCT.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện khả năng chịu lực và giảm vết nứt là do tấm thép gia cường tạo thành hệ kết cấu tổ hợp với bê tông và cốt thép, tăng cường khả năng chịu kéo và hạn chế sự phát triển vết nứt. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trong ngành xây dựng, đồng thời khẳng định tính ưu việt của phương pháp gia cường bằng tấm thép so với các phương pháp khác như gia cường bằng composite hay tăng tiết diện bê tông.

Việc mô hình hóa chính xác các đặc trưng cơ học của bê tông theo mô hình Kachlakev và áp dụng tiêu chuẩn phá hoại Willam-Warnke giúp mô phỏng sát thực tế hơn, đặc biệt trong việc dự báo sự hình thành và phát triển vết nứt. Biểu đồ phân bố ứng suất và chuyển vị được trình bày rõ ràng qua các bảng và hình ảnh mô phỏng, giúp minh họa trực quan hiệu quả của từng phương án gia cường.

Tuy nhiên, phương pháp gia cường bằng tấm thép cũng có nhược điểm như tiêu hao lượng thép lớn và dễ bị ăn mòn trong môi trường ngoài trời, cần có biện pháp bảo vệ phù hợp. So với vật liệu composite, tấm thép có chi phí thấp hơn và thi công đơn giản hơn, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng phương pháp gia cường bằng tấm thép cho các cột BTCT trong nhà: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là tăng khả năng chịu lực lên ít nhất 1,5 lần, thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các đơn vị thi công và quản lý công trình.

2. Bảo vệ bề mặt tấm thép gia cường bằng lớp sơn chống gỉ: Động từ "áp dụng", nhằm giảm thiểu hiện tượng ăn mòn, kéo dài tuổi thọ kết cấu, thời gian thực hiện song song với thi công gia cường, chủ thể là nhà thầu xây dựng.

3. Sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng và đánh giá trước khi thi công: Động từ "ứng dụng", giúp dự báo chính xác hiệu quả gia cường, giảm thiểu rủi ro, thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế, chủ thể là các kỹ sư thiết kế và tư vấn.

4. Đào tạo kỹ thuật viên về phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và thi công gia cường: Động từ "tổ chức", nhằm nâng cao trình độ chuyên môn, đảm bảo thi công đúng kỹ thuật, thời gian thực hiện trong 3 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo nghề.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nghiên cứu giúp lựa chọn phương pháp gia cường phù hợp, tối ưu hóa chi phí và hiệu quả chịu lực trong các công trình BTCT.

2. Nhà thầu thi công và bảo trì công trình: Áp dụng các giải pháp gia cường và bảo vệ kết cấu, nâng cao chất lượng thi công và tuổi thọ công trình.

3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình phần tử hữu hạn, ứng dụng phần mềm ANSYS trong phân tích kết cấu BTCT.

4. Chuyên gia tư vấn và quản lý dự án xây dựng: Hỗ trợ đánh giá hiện trạng kết cấu, đề xuất giải pháp gia cường phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
   FEM là phương pháp số để phân tích ứng xử của kết cấu dưới tải trọng phức tạp. Nó cho phép mô phỏng chính xác sự hình thành vết nứt và chuyển vị trong cột BTCT, giúp dự báo hiệu quả gia cường trước khi thi công thực tế.

2. Tại sao chọn mô hình Kachlakev để mô tả đặc trưng cơ học của bê tông?
   Mô hình Kachlakev đơn giản, dễ áp dụng và thể hiện đầy đủ ứng xử của bê tông trong và ngoài miền đàn hồi, phù hợp với phần mềm ANSYS và yêu cầu mô phỏng trong nghiên cứu.

3. Gia cường bằng tấm thép có ưu điểm gì so với vật liệu composite?
   Tấm thép có chi phí thấp hơn, thi công đơn giản, vật liệu phổ biến và dễ dàng bảo trì. Tuy nhiên, nó dễ bị ăn mòn hơn so với composite, nên cần có biện pháp bảo vệ phù hợp.

4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của mô hình mô phỏng?
   Độ chính xác được đảm bảo bằng việc sử dụng số liệu thực nghiệm để so sánh, lựa chọn mô hình phần tử phù hợp, thiết lập điều kiện biên chính xác và sử dụng tiêu chuẩn phá hoại phù hợp như Willam-Warnke.

5. Phương pháp gia cường này có áp dụng được cho công trình ngoài trời không?
   Phương pháp có thể áp dụng nhưng cần chú ý đến việc chống ăn mòn tấm thép do tác động của môi trường. Trong trường hợp yêu cầu chịu nhiệt hoặc môi trường khắc nghiệt, vật liệu composite có thể là lựa chọn thay thế.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng ứng xử rạn nứt của cột BTCT được gia cường bằng tấm thép, với sai số dưới 10% so với thực nghiệm.
• Phương pháp gia cường bằng tấm thép giúp tăng khả năng chịu lực của cột lên khoảng 1,7 lần và giảm chuyển vị ngang đáng kể.
• Mô hình Kachlakev và tiêu chuẩn phá hoại Willam-Warnke được áp dụng hiệu quả trong mô phỏng đặc trưng cơ học và sự hình thành vết nứt.
• Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn và thiết kế phương pháp gia cường cột BTCT trong thực tế xây dựng.
• Đề xuất tiếp theo là triển khai ứng dụng mô hình mô phỏng trong thiết kế và đào tạo kỹ thuật viên để nâng cao hiệu quả thi công và bảo trì công trình.

Hãy áp dụng các giải pháp gia cường đã được chứng minh để nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình xây dựng của bạn ngay hôm nay!