Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu liên hợp Thép-Bê tông đã trở thành giải pháp phổ biến trong xây dựng hiện đại nhờ khả năng tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu: độ bền và dẻo dai của thép cùng độ cứng và khả năng chịu nén cao của bê tông. Theo ước tính, việc sử dụng dầm liên hợp giúp tăng khả năng vượt nhịp lên đáng kể so với kết cấu bê tông cốt thép hoặc dầm thép đơn lẻ. Tuy nhiên, trong thực tế, các dầm này thường chịu tác động đồng thời của mômen uốn và lực dọc trục, ví dụ như dầm ở mặt đón gió của tòa nhà cao tầng, dầm ram dốc bãi đỗ xe hay cầu dây văng. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như Eurocode 4 và AISC 360-22 chưa đề cập đầy đủ đến ảnh hưởng kết hợp của lực dọc và mômen uốn trong dầm liên hợp, dẫn đến thiếu sót trong việc đánh giá chính xác khả năng chịu lực của kết cấu.

Luận văn tập trung phân tích ứng xử của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng đồng thời của lực dọc và mômen uốn, với mục tiêu xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến trên phần mềm ABAQUS, kiểm chứng bằng kết quả thực nghiệm, khảo sát ảnh hưởng của các thông số vật liệu và mức độ liên kết chịu cắt đến khả năng chịu lực của dầm. Phạm vi nghiên cứu dựa trên dữ liệu thực nghiệm của bốn dầm kích thước đầy đủ, được thí nghiệm trong điều kiện uốn dương và nén dọc trục, đồng thời thực hiện phân tích tham số với các biến đổi về cường độ vật liệu và liên kết chịu cắt. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện phương pháp thiết kế dầm liên hợp chịu tải trọng phức tạp, góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn của các công trình xây dựng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng phương pháp phân bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method - PSDM) làm cơ sở lý thuyết chính để phân tích khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông. PSDM giả định phần thép đạt ứng suất chảy dẻo fy trên cả vùng chịu kéo và nén, bê tông vùng nén chịu ứng suất 0.85 $f_c'$, và bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông. Trục trung hòa dẻo (Plastic Neutral Axis - PNA) được xác định dựa trên cân bằng lực kéo, nén trong tiết diện, từ đó tính toán mômen bền dẻo của dầm. Phương pháp này cho phép tính toán khả năng chịu lực của dầm với liên kết chịu cắt hoàn toàn hoặc một phần, đồng thời xem xét ảnh hưởng của vị trí trục trung hòa thay đổi theo tải trọng dọc trục.

Ngoài ra, luận văn tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như Eurocode 4 và AISC 360-22, trong đó Eurocode 4 áp dụng phương pháp hệ số từng phần (Partial Factor Method - PFM) với hệ số an toàn riêng cho từng vật liệu, còn AISC 360-22 sử dụng phương pháp hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (Load and Resistance Factor Design - LRFD). Sự khác biệt này ảnh hưởng đến độ bền tính toán của dầm liên hợp. Các phương trình cân bằng lực và mômen được thiết lập chi tiết, bao gồm cả mômen bậc 2 do độ lệch tâm của lực nén dọc trục so với trọng tâm dẻo của tiết diện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính của nghiên cứu là kết quả thực nghiệm của bốn dầm liên hợp Thép-Bê tông kích thước đầy đủ, được thí nghiệm trong điều kiện uốn dương và lực nén dọc trục với mức độ nén từ 0 đến 84% cường độ nén thuần túy của dầm. Các đặc tính vật liệu bê tông, thép hình và đinh chịu cắt được xác định qua thí nghiệm tiêu chuẩn, ví dụ cường độ nén bê tông đạt khoảng 31 MPa sau 28 ngày, cường độ chảy thép hình trung bình 366 MPa, và cường độ chịu cắt đinh khoảng 108 kN.

Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến được xây dựng trên phần mềm ABAQUS, mô phỏng ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu của dầm liên hợp, bao gồm tương tác giữa bê tông, thép hình, thép cốt và đinh chịu cắt. Mô hình sử dụng phần tử khối 3D C3D8R cho bê tông, C3D8I cho thép hình và đinh, phần tử kéo-nén T3D2 cho thép cốt, với kỹ thuật phần tử nhúng (Embedded Element) để mô phỏng cốt thép trong bê tông. Điều kiện biên được thiết lập phù hợp với thí nghiệm, chỉ mô phỏng một nửa dầm do tính đối xứng, tải trọng được áp dụng đồng thời gồm mômen uốn và lực nén dọc trục.

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy, sau đó thực hiện phân tích tham số thay đổi cường độ bê tông, cường độ thép hình và số lượng đinh chịu cắt nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến khả năng chịu lực của dầm liên hợp. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của mô hình số: Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến trên ABAQUS dự đoán chính xác ứng xử phi tuyến và cường độ giới hạn của dầm liên hợp, với sai số dưới 5% so với kết quả thực nghiệm. Ví dụ, dầm CB1 chịu uốn thuần túy có mômen giới hạn thực nghiệm 222 kNm, mô hình dự đoán tương ứng là 215 kNm.

  2. Ảnh hưởng của lực nén dọc trục đến mômen giới hạn: Khi lực nén dọc trục tăng từ 0 đến khoảng 50% cường độ nén thuần túy (Nu), mômen giới hạn của dầm không giảm đáng kể, thậm chí tăng nhẹ khoảng 10%. Tuy nhiên, khi lực nén vượt quá 80% Nu, mômen giới hạn giảm nhanh chóng, ví dụ dầm CB5 chịu 84% Nu chỉ đạt 125 kNm, giảm 43% so với uốn thuần túy.

  3. Ảnh hưởng của mức độ liên kết chịu cắt: So sánh giữa liên kết chịu cắt hoàn toàn (FSC) và một phần (PSC) cho thấy tương tác mômen uốn dương - lực nén dọc trục không thay đổi đáng kể. Điều này cho thấy việc bố trí đinh chịu cắt một phần vẫn đảm bảo hiệu quả làm việc liên hợp của dầm.

  4. Ảnh hưởng của cường độ vật liệu: Tăng cường độ bê tông từ 23 MPa lên 31 MPa và cường độ thép hình từ 360 MPa lên 380 MPa làm tăng đáng kể khả năng chịu lực của dầm, với mômen giới hạn tăng khoảng 15-20%. Số lượng đinh chịu cắt cũng ảnh hưởng tích cực đến cường độ mômen và lực nén giới hạn, tăng từ 8 lên 16 đinh làm tăng mômen giới hạn khoảng 12%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng mômen giới hạn không giảm khi lực nén dọc trục ở mức thấp đến trung bình là do lực nén giúp tăng cường khả năng chịu nén của bản bê tông, đồng thời giảm ứng suất kéo trong thép hình. Khi lực nén vượt quá ngưỡng giới hạn, hiện tượng mất ổn định cục bộ và nứt vỡ bê tông xuất hiện, làm giảm nhanh khả năng chịu lực của dầm. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây và lý thuyết phân bố ứng suất dẻo.

Việc mức độ liên kết chịu cắt không ảnh hưởng nhiều đến tương tác mômen-lực nén cho thấy thiết kế liên kết một phần có thể tiết kiệm vật liệu mà vẫn đảm bảo hiệu quả kết cấu. Các phân tích tham số cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu phù hợp và bố trí đinh chịu cắt hợp lý để tối ưu hóa khả năng chịu lực.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong tương tác mômen-lực nén, bảng so sánh mômen giới hạn và lực nén tương ứng giữa các mẫu thí nghiệm và mô phỏng, cũng như hình ảnh vết nứt và chuyển vị của dầm dưới tải trọng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến trong thiết kế: Khuyến nghị sử dụng mô hình số dựa trên ABAQUS để phân tích chính xác ứng xử dầm liên hợp trong các công trình chịu tải trọng phức tạp, giúp nâng cao độ tin cậy và tối ưu hóa thiết kế.

  2. Thiết kế liên kết chịu cắt hợp lý: Đề xuất bố trí đinh chịu cắt đạt mức độ liên kết một phần (khoảng 50-60%) để cân bằng giữa hiệu quả kết cấu và tiết kiệm vật liệu, với số lượng đinh bố trí phù hợp theo tải trọng dự kiến.

  3. Lựa chọn vật liệu phù hợp: Khuyến khích sử dụng bê tông có cường độ nén từ 30 MPa trở lên và thép hình có cường độ chảy trên 360 MPa để đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền của dầm liên hợp.

  4. Phát triển biểu đồ tương tác mômen-lực nén: Đề xuất xây dựng biểu đồ tương tác dựa trên mô hình mới được phát triển, giúp kỹ sư thiết kế dễ dàng đánh giá khả năng chịu lực của dầm liên hợp dưới tải trọng kết hợp trong vòng 6-12 tháng tới.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình hóa phần tử hữu hạn và thiết kế dầm liên hợp cho kỹ sư xây dựng, nhằm nâng cao năng lực thiết kế và thi công trong ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp phương pháp và mô hình phân tích chính xác, giúp kỹ sư đánh giá và thiết kế dầm liên hợp chịu tải trọng phức tạp hiệu quả hơn, giảm thiểu rủi ro trong thi công.

  2. Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành kỹ thuật xây dựng: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết phân bố ứng suất dẻo, mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến và các phương pháp phân tích dầm liên hợp hiện đại.

  3. Chuyên gia tư vấn và kiểm định công trình: Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của kết cấu hiện hữu, hỗ trợ trong việc kiểm định và đề xuất biện pháp gia cố phù hợp.

  4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và liên kết chịu cắt: Thông tin về ảnh hưởng của vật liệu và liên kết chịu cắt đến hiệu suất dầm liên hợp giúp doanh nghiệp cải tiến sản phẩm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao của thị trường xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu, bao gồm cả tương tác giữa các thành phần trong dầm liên hợp, giúp dự đoán cường độ giới hạn và hình thái phá hoại sát với thực tế hơn. Ví dụ, mô hình ABAQUS đã chứng minh sai số dưới 5% so với thực nghiệm.

  2. Ảnh hưởng của lực nén dọc trục đến khả năng chịu mômen của dầm liên hợp như thế nào?
    Lực nén dọc trục ở mức thấp đến trung bình không làm giảm mômen giới hạn, thậm chí có thể tăng nhẹ do tăng cường khả năng chịu nén của bê tông. Tuy nhiên, khi lực nén vượt quá khoảng 80% cường độ nén thuần túy, mômen giới hạn giảm nhanh do mất ổn định cục bộ.

  3. Liên kết chịu cắt một phần có đảm bảo hiệu quả làm việc của dầm liên hợp không?
    Nghiên cứu cho thấy tương tác mômen-lực nén không thay đổi đáng kể giữa liên kết chịu cắt hoàn toàn và một phần, do đó liên kết một phần vẫn đảm bảo hiệu quả kết cấu, giúp tiết kiệm vật liệu và chi phí thi công.

  4. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành có đáp ứng đầy đủ yêu cầu thiết kế dầm liên hợp chịu tải trọng kết hợp không?
    Eurocode 4 và AISC 360-22 chưa đề cập đầy đủ đến ảnh hưởng kết hợp của mômen uốn và lực dọc trục trong dầm liên hợp, dẫn đến thiếu sót trong thiết kế. Luận văn đề xuất mô hình tương tác mới giúp khắc phục hạn chế này.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thiết kế công trình?
    Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng biểu đồ tương tác mômen-lực nén, áp dụng mô hình phần tử hữu hạn để phân tích chi tiết, đồng thời điều chỉnh thiết kế liên kết chịu cắt và lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm tối ưu hóa hiệu suất và an toàn kết cấu.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến trên ABAQUS mô phỏng chính xác ứng xử và cường độ giới hạn của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng đồng thời của mômen uốn dương và lực nén dọc trục.
  • Phát hiện lực nén dọc trục ở mức thấp đến trung bình không làm giảm mômen giới hạn, trong khi lực nén cao gây giảm nhanh khả năng chịu lực do mất ổn định cục bộ và nứt vỡ bê tông.
  • Mức độ liên kết chịu cắt một phần vẫn đảm bảo hiệu quả làm việc của dầm liên hợp, giúp tiết kiệm vật liệu mà không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực.
  • Đề xuất mô hình tương tác mômen-lực nén mới, đơn giản và hiệu quả, hỗ trợ thiết kế dầm liên hợp chính xác hơn so với các tiêu chuẩn hiện hành.
  • Khuyến nghị áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu trong thiết kế và phân tích kết cấu thực tế, đồng thời phát triển biểu đồ tương tác và tổ chức đào tạo chuyên sâu trong vòng 6-12 tháng tới để nâng cao năng lực kỹ thuật.

Hành động tiếp theo: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng mô hình và biểu đồ tương tác đề xuất để cải tiến thiết kế dầm liên hợp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các loại tải trọng phức tạp hơn nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình.