Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau

• Tác giả: Ngô Duy Linh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Long
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Mô Phỏng Ứng Xử Uốn Dầm Bê Tông Cốt Thép Ứng Suất Trước Với CFRP
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DẦM KHÁNG UẪN BẰNG TẤM CFRP VÀ PHẦN MỀM DÙNG TRONG MÔ PHỎNG
• 2. MÔ PHỎNG ỨNG XỬ UẪN CỦA DẦM KHÁNG UẪN BẰNG TẤM CFRP CHỊU TẢI TRỌNG
• 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu

Bài viết nghiên cứu về mô phỏng ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép ứng suất trước với CFRP. Bê tông cốt thép là vật liệu xây dựng phổ biến, nhưng khi chịu tải trọng lớn hoặc trong môi trường khắc nghiệt, nó có thể gặp phải các vấn đề như nứt, biến dạng. Việc sử dụng CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) để gia cường dầm bê tông cốt thép giúp cải thiện khả năng chịu lực và kéo dài tuổi thọ công trình. Mô phỏng này sử dụng phần mềm ABAQUS để phân tích và dự đoán hành vi của dầm dưới tải trọng uốn. Nghiên cứu sẽ so sánh kết quả mô phỏng với các nghiên cứu trước đó nhằm xác định tính chính xác và độ tin cậy của mô hình.

II. Tìm hiểu về vật liệu CFRP

CFRP là một loại vật liệu composite được cấu tạo từ sợi carbon và nhựa epoxy. Vật liệu CFRP có trọng lượng nhẹ, độ bền cao và khả năng chống ăn mòn tốt, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc gia cường công trình. Nghiên cứu này sẽ phân tích các đặc tính cơ học của CFRP và ứng dụng của nó trong việc gia cường dầm bê tông cốt thép ứng suất trước. Đặc biệt, các thông số như mô đun đàn hồi, độ bền kéo, và khả năng chịu nén của CFRP sẽ được xem xét kỹ lưỡng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng CFRP có thể tăng cường đáng kể khả năng chịu lực của dầm bê tông, làm cho nó trở nên bền vững hơn trong thời gian dài.

III. Mô hình hóa và phương pháp mô phỏng

Mô hình hóa ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép được thực hiện bằng cách sử dụng phần mềm ABAQUS. Phương pháp mô phỏng bao gồm việc tạo ra mô hình số của dầm bê tông, áp dụng các điều kiện biên và tải trọng tương ứng. Các yếu tố như độ dày của lớp CFRP, số lớp CFRP được sử dụng và phương pháp thi công cũng được đưa vào mô hình để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến ứng suất trước và khả năng chịu lực của dầm. Kết quả từ mô phỏng sẽ được so sánh với các kết quả thực nghiệm để kiểm tra tính chính xác của mô hình. Phân tích này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về hành vi của dầm mà còn cung cấp cơ sở cho việc thiết kế và cải thiện công nghệ xây dựng.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng việc sử dụng CFRP để gia cường dầm bê tông cốt thép có thể tăng cường đáng kể khả năng chịu lực của dầm. Các chỉ số như tăng cường cấutrúc và khả năng chịu lực đều được cải thiện rõ rệt. So sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy rằng mô hình số đã phản ánh chính xác các hành vi ứng xử của dầm trong thực tế. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa số lớp CFRP và phương pháp thi công có thể mang lại hiệu quả cao hơn trong việc gia cường dầm. Điều này có thể áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện đại, đặc biệt là những công trình yêu cầu tính bền vững và an toàn cao.

V. Kết luận

Bài nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô phỏng ứng xử uốn dầm bê tông cốt thép ứng suất trước với CFRP là một phương pháp hiệu quả để cải thiện khả năng chịu lực của dầm. Việc áp dụng CFRP không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn kéo dài tuổi thọ cho các công trình xây dựng. Kết quả từ mô phỏng có thể được sử dụng làm cơ sở cho các thiết kế trong tương lai, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc phát triển các vật liệu và công nghệ xây dựng bền vững hơn.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành xây dựng tại Việt Nam và trên thế giới, việc nâng cao hiệu quả và độ bền của các công trình dân dụng và công nghiệp ngày càng được quan tâm. Theo báo cáo của ngành, nhiều công trình bê tông cốt thép sau một thời gian sử dụng đã xuất hiện hiện tượng xuống cấp, nứt vỡ, ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình. Việc sửa chữa, cải tạo và gia cố các kết cấu này đòi hỏi giải pháp vừa hiệu quả vừa tiết kiệm chi phí và thời gian. Trong đó, công nghệ gia cố bằng vật liệu composite sợi carbon (CFRP) đã được ứng dụng rộng rãi nhờ tính năng chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt.

Luận văn tập trung nghiên cứu mô phỏng ứng xử uốn của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước không bám dính (Unbonded Prestressed Concrete - UPC) được gia cố bằng tấm CFRP dán ngoài với các lớp khác nhau (2, 4, 6 lớp). Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa bằng phần mềm ABAQUS, phân tích ảnh hưởng của ma sát giữa cáp và bê tông, so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Mục tiêu nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công gia cố các kết cấu bê tông ứng suất trước không bám dính bằng CFRP, góp phần nâng cao độ bền và hiệu quả sử dụng công trình.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển kỹ thuật gia cố kết cấu bê tông hiện đại, giảm thiểu chi phí bảo trì, đồng thời mở rộng ứng dụng của vật liệu CFRP trong xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam. Các chỉ số hiệu quả như tải trọng chịu uốn tối đa, biến dạng, và phân bố ứng suất được đánh giá chi tiết trong phạm vi thời gian nghiên cứu từ năm 2019 đến 2020 tại TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết bê tông phá hoại dẻo (Concrete Damage Plasticity - CDP): Mô hình này mô phỏng ứng xử phi tuyến tính của bê tông, bao gồm các hiện tượng nứt kéo và phá hoại nén, được áp dụng để mô phỏng chính xác hành vi của bê tông trong dầm ứng suất trước.

• Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Sử dụng phần mềm ABAQUS để xây dựng mô hình phần tử 3D, mô phỏng chi tiết cấu trúc dầm bê tông, cáp ứng suất trước và tấm CFRP. Các phần tử được lựa chọn phù hợp như C3D8R cho bê tông, phần tử dây cho cáp, và phần tử vỏ cho tấm CFRP.

• Khái niệm vật liệu composite sợi carbon (CFRP): CFRP là vật liệu composite có tính năng chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ, được sử dụng để gia cố kết cấu bê tông. Các đặc tính cơ lý như mô đun đàn hồi, giới hạn bền kéo, biến dạng đứt được xác định và đưa vào mô hình.

• Mô hình liên kết không bám dính giữa cáp và bê tông: Mô phỏng ma sát và sự trượt giữa cáp ứng suất trước và bê tông, ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và biến dạng trong dầm.

• Mô hình liên kết giữa tấm CFRP và bề mặt bê tông: Xem xét hiện tượng bong tách, phân bố ứng suất dính giữa CFRP và bê tông, ảnh hưởng đến hiệu quả gia cố.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thí nghiệm thực tế từ phòng thí nghiệm với các mẫu dầm bê tông ứng suất trước không bám dính được gia cố bằng 2, 4 và 6 lớp tấm CFRP. Thông số vật liệu bê tông, cáp và CFRP được lấy theo tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với mô hình bê tông CDP, mô hình cáp không bám dính liên kết bằng lò xo, và mô hình liên kết tấm CFRP với bê tông qua phần tử tiếp xúc. Phân tích phi tuyến tính tĩnh được thực hiện để đánh giá ứng suất, biến dạng và tải trọng chịu uốn của dầm.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình được xây dựng dựa trên kích thước dầm thực nghiệm với tiết diện chữ T, chiều dài 5.6 m, cáp 7 sợi không bám dính, và các lớp CFRP dán ngoài. Các mẫu mô phỏng tương ứng với các trường hợp 2, 4 và 6 lớp CFRP.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và so sánh kết quả với thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của số lớp CFRP đến khả năng chịu uốn của dầm:

   • Dầm gia cố 2 lớp CFRP tăng tải trọng chịu uốn khoảng 15% so với dầm không gia cố.
   • Dầm 4 lớp và 6 lớp CFRP lần lượt tăng tải trọng chịu uốn lên 28% và 35%.
   • Biến dạng tại vị trí tải trọng tối đa cũng giảm tương ứng, cho thấy độ cứng tăng lên rõ rệt.

2. Phân bố ứng suất và biến dạng trong dầm:

   • Ứng suất kéo trong cáp không bám dính phân bố không đều do ma sát giữa cáp và bê tông, gây ra sự trượt cáp.
   • Biến dạng bê tông tại vùng chịu kéo giảm khi tăng số lớp CFRP, chứng tỏ CFRP hiệu quả trong việc hạn chế nứt kéo.

3. So sánh kết quả mô phỏng với thí nghiệm:

   • Sai số giữa mô phỏng và thí nghiệm về tải trọng chịu uốn tối đa dưới 7%.
   • Biến dạng và mô hình nứt bê tông trong mô phỏng tương đồng với quan sát thực tế.
   • Mô hình liên kết không bám dính giữa cáp và bê tông trong mô phỏng phản ánh chính xác hiện tượng trượt cáp.

4. Ảnh hưởng của ma sát giữa cáp và bê tông:

   • Ma sát làm tăng khả năng truyền lực giữa cáp và bê tông, giảm biến dạng cáp.
   • Tuy nhiên, ma sát cũng gây ra sự phân bố ứng suất không đồng đều, cần được tính toán chính xác trong thiết kế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc gia cố bằng tấm CFRP dán ngoài giúp tăng đáng kể khả năng chịu uốn của dầm bê tông ứng suất trước không bám dính. Số lớp CFRP càng nhiều thì hiệu quả gia cố càng rõ rệt, tuy nhiên chi phí và khối lượng vật liệu cũng tăng theo. Việc mô phỏng ma sát giữa cáp và bê tông là cần thiết để phản ánh đúng hành vi thực tế của dầm, tránh đánh giá quá cao hoặc quá thấp khả năng chịu lực.

So với các nghiên cứu trước đây về dầm bê tông ứng suất trước có cáp bám dính, nghiên cứu này mở rộng phạm vi ứng dụng cho loại cáp không bám dính, vốn có đặc điểm làm việc phức tạp hơn do hiện tượng trượt cáp. Kết quả mô phỏng sát với thực nghiệm cho thấy phần mềm ABAQUS với mô hình CDP và mô hình liên kết thích hợp là công cụ hữu hiệu cho việc phân tích kết cấu này.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tải trọng - biến dạng, bảng so sánh tải trọng chịu uốn tối đa giữa các trường hợp, và hình ảnh mô phỏng phân bố ứng suất trong dầm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng gia cố bằng tấm CFRP với số lớp phù hợp: Khuyến nghị sử dụng từ 2 đến 4 lớp CFRP cho các dầm bê tông ứng suất trước không bám dính nhằm cân bằng hiệu quả gia cố và chi phí. Chủ thể thực hiện: các nhà thầu xây dựng, kỹ sư thiết kế. Thời gian áp dụng: trong vòng 6 tháng sau khi hoàn thành thiết kế.

2. Tăng cường mô phỏng và kiểm tra ma sát cáp - bê tông: Đề xuất nghiên cứu sâu hơn về hệ số ma sát và ảnh hưởng của nó đến phân bố ứng suất trong dầm để nâng cao độ chính xác thiết kế. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học. Thời gian: 1 năm.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng chuyên dụng: Khuyến khích phát triển hoặc tùy chỉnh phần mềm mô phỏng phù hợp với đặc thù cáp không bám dính và vật liệu CFRP tại Việt Nam. Chủ thể: các công ty công nghệ, trung tâm nghiên cứu. Thời gian: 2 năm.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về kỹ thuật gia cố bằng CFRP và mô phỏng kết cấu cho kỹ sư xây dựng, nhằm nâng cao chất lượng thi công và thiết kế. Chủ thể: các trường đại học, trung tâm đào tạo. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt kiến thức về mô hình hóa và phân tích dầm bê tông ứng suất trước không bám dính gia cố CFRP, áp dụng vào thiết kế công trình thực tế.

2. Nhà thầu thi công: Hiểu rõ quy trình và hiệu quả của việc gia cố bằng CFRP, từ đó lựa chọn giải pháp thi công phù hợp, tiết kiệm chi phí và thời gian.

3. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu composite và kết cấu bê tông ứng suất trước.

4. Cơ quan quản lý xây dựng: Đánh giá và ban hành các tiêu chuẩn, quy định liên quan đến gia cố kết cấu bằng CFRP, nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. CFRP là gì và tại sao lại được sử dụng để gia cố kết cấu bê tông?
   CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) là vật liệu composite có sợi carbon chịu kéo cao, trọng lượng nhẹ và khả năng chống ăn mòn tốt. Nó được sử dụng để gia cố kết cấu bê tông nhằm tăng cường khả năng chịu lực, giảm nứt và kéo dài tuổi thọ công trình.

2. Ưu điểm của dầm bê tông ứng suất trước không bám dính so với loại bám dính?
   Dầm không bám dính có khả năng điều chỉnh ứng suất dễ dàng, giảm nguy cơ nứt do ứng suất tập trung. Tuy nhiên, hiện tượng trượt cáp phức tạp hơn, đòi hỏi mô hình phân tích chính xác để đảm bảo an toàn.

3. Phần mềm ABAQUS có thể mô phỏng chính xác hành vi của dầm gia cố CFRP không?
   ABAQUS với mô hình bê tông phá hoại dẻo (CDP) và mô hình liên kết thích hợp có thể mô phỏng chính xác ứng suất, biến dạng và tải trọng chịu uốn của dầm gia cố CFRP, sát với kết quả thực nghiệm.

4. Số lớp CFRP ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả gia cố?
   Số lớp CFRP càng nhiều thì khả năng chịu uốn và độ cứng của dầm càng tăng, tuy nhiên chi phí và khối lượng vật liệu cũng tăng theo. Cần cân nhắc để lựa chọn số lớp phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế.

5. Ma sát giữa cáp và bê tông có vai trò gì trong dầm ứng suất trước không bám dính?
   Ma sát ảnh hưởng đến sự truyền lực giữa cáp và bê tông, làm giảm biến dạng cáp và ảnh hưởng đến phân bố ứng suất trong dầm. Việc mô phỏng chính xác ma sát giúp dự đoán đúng hành vi kết cấu và thiết kế an toàn.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn mô phỏng ứng xử uốn của dầm bê tông ứng suất trước không bám dính gia cố bằng tấm CFRP với các lớp khác nhau.
• Kết quả mô phỏng sát với thực nghiệm, chứng minh tính khả thi và độ chính xác của phương pháp sử dụng phần mềm ABAQUS với mô hình bê tông CDP và mô hình liên kết thích hợp.
• Gia cố bằng CFRP giúp tăng tải trọng chịu uốn tối đa lên đến 35% khi sử dụng 6 lớp, đồng thời giảm biến dạng và hạn chế nứt kéo.
• Ma sát giữa cáp và bê tông là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và biến dạng, cần được tính toán chính xác trong thiết kế.
• Đề xuất các giải pháp ứng dụng và nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả gia cố, phát triển phần mềm mô phỏng chuyên dụng và đào tạo kỹ thuật cho ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình mô phỏng vào thiết kế thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các loại kết cấu khác và tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật gia cố bằng CFRP.