CHƯƠNG 1.1 TONG QUAN Trong cơ học, lý thuyết đàn hồi dùng để trình bay các thủ tục cho việc xác định ứng suất và biến dạng trong những vật thể không bị rạn nứt. Trong lĩnh vực xây dựng, Bê tông cốt thép là kết cau gần như là chủ yếu và rất quan trọng. Các phương pháp thiết kế kết cau bê tông cốt thép dựa trên lý thuyết đàn hồi (phương pháp thiết kế theo ứng suất cho phép - Allowable Stress Design, theo độ bền - Strength Design, theo khả năng - Capacity Design) gần như đã hoàn thiện và phát triển trong rất nhiều tiêu chuẩn thiết kế của các nước trên thế giới. Các phương pháp truyền thống trên thể hiện nhiều ưu điểm như tính toán đơn giản, việc tiếp cận phương pháp tính dễ dàng, đơn giản, hệ số an toàn cao và thực tế đã chứng minh là các kết cầu bê tông hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về chịu lực.
Tuy nhiên, đặc điểm ứng xu của bê tông không thực sự đàn hồi trong quá trình chịu tải trọng, sau giới hạn đàn hoi, sự xuất hiện các vùng phá hủy giòn, dẻo cục bộ và các đường nut làm mat tính liên tục trong môi trường tính toán, đặc biệt không xét đến phan ung xu sau dinh tai trọng lam cho phương pháp truyền thống không đưa ra kết quả chính xác cũng như gây lãng phí vật liệu. Như vậy, cần thiết phải đưa vào các phương pháp phân tích vật liệu và kết cau bê tông có xét đến các ứng xử phi tuyến vật lý, tính không đồng nhất của vật liệu, tính bat đôi xứng khi kéo và nén, các vùng phá hủy, đường nứt, các vùng dẻo. Luật ứng xử đàn dẻo cho bê tông được nhiều tác giả đề nghị như Mohr-Coulumb, Drucker - Prager dé mô hình hóa các vùng dẻo cục bộ của bê tông, đặc biệt với vùng chịu nén của bê tông. Các kết quả đã áp dụng tính toán bằng thủ công hay số hóa đã được đưa vao quy trình thiết kế kết cấu bê tông trên thế giới như: ACI 318, ASSHTO-98, Eurocode 2.
Tuy nhiên, tiếp cận theo lý thuyết dẻo trong mô hình hóa ứng xử bê tông không giải quyết được bài toán về lan truyền nut hay bài toán về phá hủy giòn, đăc biệt là với bê tông có tính giòn cao (bê tông cường độ cao). Nhiều kết quả lý thuyết cũng như thực nghiệm đã chứng minh phá hủy giòn thường xuất hiện trước phá hủy dẻo. Do vậy, ngoài việc tiếp cận theo lý thuyết dẻo, việc tiếp cận theo cơ học phá hủy bê tông (Concrete Damage Mechanics) và tiếp cận theo lý thuyết cơ học rạn nứt bê tông (Concrete Fracture Mechanics) được xem như là hướng tính toán mới hiện nay trên thé giới và được sử dụng dé phân tích cơ chế xuất hiện và lan truyền đường nứt trong kết cau bê tông. Lý thuyết co học rạn nứt (Concrete Fracture Mechanics) được hình thành và phát triển nhằm giải quyết bài toán cơ học sau khi hình thành vết nứt.
Sau thế chiến thứ II, một nhóm nghiên cứu của Naval Research (Phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân Mỹ), do tiễn sỹ G.Irwin dẫn đầu đã tìm hiểu van dé rạn nứt. Những năm 1960 đã bắt đầu phát triển mới cho ngành cơ học rạn nứt, trong đó việc tiếp cận cơ học rạn nứt đàn hồi tuyến tính (LEFM — Linear Elastic Fracture Mechanics) phù hợp với bê tông hoàn toàn giòn, các đặc trưng nut va điều kiện lan truyền nứt được mô phỏng theo lý thuyết cơ bản của cơ học rạn nứt có xét đặc điểm hình học suy từ thực nghiệm. Kaplan (1961) và Glucklich (1963) đưa ra công thức giải tích của cơ học rạn nứt vào bê tông thông qua hệ SỐ cường độ ứng suất K và năng lượng nứt G với bê tông được giả thuyết là đồng nhất, đăng hướng ở những vùng năm ngoài đượng nứt. Các tiếp cận phi tuyến về lan truyền nứt (NEM — Nonlinear Fracture Mechanics) có xét đến sự phát triển của một vùng có ứng xử phi tuyến cục bộ đầu đường nứt, có thể là vùng dẻo (Dugdale và Barenblatt, 1960 — 1962) hoặc vùng phá hủy giòn (Bazant, 1983; Hillerborg, 1984).
Hai mô hình phi tuyến điển hình nhất là mô hình đường nứt ảo FCM (Fictious Crack Model — Hillerborg) và mô hình vết nứt dải CBM (rack Band Model) với giả thuyết trường chuyền vị là không liên tục hoặc liên tục yếu. Theo tiếp cận này thì các bài toán về lan truyền nứt trong bê tông được giải quyết tương đối hoàn chỉnh, đặc biệt là kích thước bê tông đủ lớn. Tuy vậy, nhược điểm khi lập trình là phải sử dụng các phan tử phức tạp, đường nứt phụ thuộc phân bố hình học của các phân tử hữu hạn, hạn chế áp dụng rộng rãi trong tính toán các kết cau công trình bằng bê tông cốt thép. Một số tác giả phát triển các mô hình xấp xỉ như mô hình nứt hai tham số TPM (Two Paramater Model - Hillerborg), mô hình hiệu ứng kích thước SEM (Size Effect Model - Bazant) hay mô hình đường nứt có hiệu ECM (Effective Crack Model - Karihaloo) hoặc sử dụng các kỹ thuật điều chỉnh như mô hình MRCM (Modified Rotating Crack Model — Jirasek) hay sử dung các phan tử nứt (Embedded Crack Element — Jirasek và T.
Zi mmermamn) với mục đích khắc phục khó khăn khi lập trình số và làm cho kết quả không phụ thuộc vào lưới phan tử hữu han đã mang lại sự đơn giản va hiệu qua khi áp dụng luật ứng xử này vào tính toán kết cau bê tông. [1] [2] [3] Cơ học phá hủy bê tông (Concrete Damage Mechanics) là lý thuyết cho phép phân tích trạng thái phá hủy giòn của bê tông, là trạng thái được xem như chưa xuất hiện các đường nứt lớn trong bê tông, môi trường tính toán còn liên tục. Việc đưa khái niệm ứng suất có hiệu xét đến trạng thái vật liệu khi bị phá hủy, mô đun đàn hôi E của vật liệu bị chiết giảm trong quá trình phá hủy. Mô hình đàn hồi — giòn đầu tiên được phát triển bởi Kachanov (1958) với mô hình đăng hướng cô điển sử dụng dụng biến phá hủy D với biến dạng là thông số kiểm soát, sau đó nhiều tác giả đề nghị các mô hình mới như Mazars (1984), Simo và Ju (1987) với tiếp cận cục bộ tức là không xét đến sự tập trung biến dạng trong vùng phá hủy của bê tông, tính toán theo ứng suất có hiệu.
Tiếp đó, nhiều mô hình không cục bộ đàn hồi — giòn lần lượt được đề nghị như Pijaudier — Cabot và Bazant (1987, 1989), Fremont va Nedjar (1993), Jirasek (1996, 2004). Các tác giả sử dụng biến kiểm soát phá hủy là biến dạng tương đương cho kết quả tính toán hội tụ và gan sát với thực nghiệm. [2] Với vật liệu bê tông, khi mô phỏng phá hủy các tác giả sử dụng biến phá hủy vô hướng là phố biến vì tính đơn giản, đảm bảo yêu câu chính xác khi chịu tải trọng tĩnh, các mô hình phá hủy giòn bê tông phố biến hiện nay như: Mazars (1984), mô hình Bazant và Pijaudier — Cabot (1987, 1989) với tiếp cận không cục bộ, mồ hình Jirasek (2004), mô hình La Boderie (1991, 2003); ngoài các mô hình trên, còn có một số mô hình như Olivier và đồng nghiệp (1989) đánh giá phá hủy của vật liệu với việc thêm vào hàm của hệ số kết dính c, mô hình Simo và đồng nghiệp (1995) sử dụng nhiều mặt phá hủy gion, mô hình Ramtani (1990) sử dụng tenxo bậc 2 biểu diễn phá hủy khi kéo và nén, mô hình J.Ju (1989) sử dụng biến phá hủy tenxo bậc 4 xét đồng thời ứng xử bất đăng hướng và biến dạng dư trong phá hủy bê tông. [2Ì Hiện nay, việc ứng dụng các phương pháp phân tích mới trong đánh giá phá hoại các bộ phận kết cau công trình là cấp thiết để nâng cao tính chính xác, độ tin cậy tính toán và tuổi tho của chúng.
Phương pháp sử dụng lí thuyết co học rạn nứt và phá huỷ bê tông dé phân tích phá hoại các bộ phận kết cau các công trình như dam, vỏ ham hay tường chắn bê tông do xuất hiện va lan truyền mất ôn định của các đường nứt là một hướng đi mới và đã khắng định nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp phân tích phá hoại truyền thống. Khi áp dụng phương pháp này đòi hỏi phải tiễn hành rất nhiều thí nghiệm để xác định các đặc trưng cơ học của bê tông làm cơ sở cho việc tính toán thiết kế và chan đoán phá hoại, đặc biệt là các đặc trư- ng nứt cơ bản của vật liệu bê tông như hệ SỐ cường độ ứng suất giới han (critical stress intensity factor) Kịc, độ bên nứt giới hạn (critical fracture toughness) Gc hay năng lượng pha huy (fracture energy) Œpg. [2] [3] Việc sử dung các phương pháp thí nghiệm dé xác định các đặc trưng nứt của bê tông đã được RILEM (The International Union of Testing and Research Laboratories for Material and Structures - Hiệp hội quốc tế của các phòng thí nghiệm và nghiên cứu về vật liệu công trình) đưa ra từ những năm 80 thé kỷ trước. Năm 1985, RILEM đề xuất phương pháp thí nghiệm xác định năng lượng nứt toàn phan Gr.
Các đặc trưng cơ học khác như mô đun đàn hồi E và ứng suất kéo giới han f, cũng được tiến hành xác định. Gp có thé được sử dụng trong phân tích phi tuyến bê tông theo hai phương pháp CBM (Cohesive Crack Model) cho vật liệu giòn và FCM (Fictious Crack Model) cho vật liệu bê tông. Các đặc trưng nứt của bê tông phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu thí nghiệm. Năm 1986 RILEM phát triển phương pháp thí nghiệm dé xác định các đặc trưng nut giới hạn áp dụng trong tính toán phá hoại nứt theo phương pháp: TPM (Two Parameter Model), ECM (Effective Crack Model) và SEM (Size Effect Model).
Năm 1990 — 1991, Shah và Carpinteri cùng RILEM hoàn thiện phương pháp va dé xuất độc lập với nhau. Năm 2000 — 2001, Bazant va đồng nghiệp dé nghi viéc phat triển các thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của bê tông theo hướng sử dụng mẫu thí nghiệm dạng dam chịu uốn trên 3 điểm hoặc 4 điểm trên cơ sở của Guinea và đồng nghiệp (1990 — 1991 — 1992). Theo đánh giá của Barzant có chung quan điểm với các tác giả khác là mô hình thí nghiệm phân tích phá hoại sử dụng mẫu thí nghiệm dầm chịu uốn trên 3 điểm có nứt môi trước là mẫu chuẩn; với mẫu thí nghiệm chuẩn, việc tính toán các gia trị Kc, Gc theo các giá tham số nứt của bê tông theo mô hình đàn hôi tuyến tính (LEFM) hay mô hình nứt phi tuyến (NEM) đều dễ dàng.