Trong nghiên cứu này, ứng xử của bảy mẫu con sơn bê tông cốt thép (BTCT) được khảo sát. Khả năng chịu lực và biến dạng của chúng được tính toán bằng IDEA StatiCa và so sánh với khả năng chịu lực thiết kế được tính theo quy trình ACI 318-19 (2019) và AASHTO LRFD (2016). Kết quả được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Một trong các mẫu con sơn được thử nghiệm được chọn làm mô hình cơ sở để nghiên cứu sâu hơn bằng phần mềm ABAQUS (phiên bản 2023), trong đó độ võng tại điểm giữa, phân bố ứng suất chính và mô hình vết nứt được tính toán và so sánh với các giá trị đo được trong thí nghiệm (Wilson, 2017). Ngoài ra, ảnh hưởng của cốt thép phụ đến khả năng chịu lực của con sơn cũng được nghiên cứu chi tiết.
Nghiên cứu Thực nghiệm
Để đánh giá hiệu năng kết cấu của các con sơn, bốn mẫu con sơn đôi, được ký hiệu là C0 đến C3, được thiết kế dựa trên các quy định của mô hình thanh chống - giằng (STM) theo ACI 318-19 (2014) bởi Wilson (2017). Ba mẫu con sơn đôi khác, ký hiệu là S1, S2 và S3, được thiết kế theo các quy định STM của AASHTO LRFD (2016) bởi Khosravikia et al. (2018). Các mẫu được thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Kết cấu Ferguson của Đại học Texas tại Austin. Cốt thép chính của bốn mẫu trong nhóm C được giữ nhất quán, trong khi cốt thép phụ có sự thay đổi. Tương tự, các mẫu S1, S2 và S3 có cùng hình học nhưng có sự biến đổi ở cả cốt thép chính và cốt thép phụ. Tất cả bảy mẫu đều được thiết kế chỉ để chịu tải trọng thẳng đứng, bỏ qua các lực kéo ngang có thể xảy ra. Do đó, thiết lập thử nghiệm được đơn giản hóa, chỉ tập trung vào tải trọng thẳng đứng, với mỗi mẫu được đỡ bởi hai bản chịu lực. Trong số bảy mẫu, C0 được chọn làm mô hình cơ sở và được phân tích trong ABAQUS.
Cả bốn mẫu (C0, C1, C2 và C3) được thiết kế với kích thước tương tự nhau, bao gồm chiều rộng 14 in. (356 mm), chiều cao tổng thể của con sơn 24 in. (610 mm), chiều dài con sơn 20 in. (508 mm) ở mỗi bên và chiều cao cột kéo dài 12 in. (305 mm). Hình học của các mẫu và chi tiết bố trí cốt thép trong từng mẫu được thể hiện trong Hình 1.1. Các thông số thiết kế của các mẫu con sơn được trình bày trong Bảng 1.1. Lưu ý rằng các mẫu trong Hình 1.1 được trình bày theo hướng mà chúng được thử nghiệm.
Hình 1.1: Thiết kế mẫu với chi tiết bố trí cốt thép (Wilson, 2017).
Tính toán Thiết kế theo Tiêu chuẩn ACI 318-19
Các kiểm tra thiết kế theo tiêu chuẩn đã được thực hiện, và khả năng chịu lực của các mẫu con sơn được tính toán bằng mô hình thanh chống - giằng (STM), đồng thời các yêu cầu kiểm soát vết nứt đối với con sơn BTCT được khảo sát bằng số theo các quy định của ACI 318-19. Trong mô hình thanh chống - giằng, các cấu kiện bê tông được thay thế bằng một dàn giả định gồm các thanh chống nén bê tông và các thanh giằng thép, liên kết với nhau tại các nút. Theo các quy định STM của ACI 318-19, phải cung cấp đủ cốt thép để đáp ứng yêu cầu chịu lực của từng thanh giằng. Để đảm bảo kiểm soát vết nứt đầy đủ và ngăn ngừa sự không tương thích biến dạng quá mức, góc giữa trục của bất kỳ thanh chống nào và bất kỳ thanh giằng nào đi vào một nút phải lớn hơn hoặc bằng 25°. Ba loại nút được phân loại: nút CCC, chỉ các nút không có thanh giằng (nút nén-nén-nén); nút CCT, đại diện cho các nút có một thanh giằng; và nút CTT, chỉ các nút có hai hoặc nhiều thanh giằng hơn.
Mô hình dàn mô hình thanh chống - giằng được sử dụng để thiết kế các mẫu này được minh họa trong Hình 1.15. Vị trí nằm ngang của Nút A và A' được căn chỉnh với tâm của các bản chịu lực, trong khi Nút B và B' được đặt tại các điểm một phần tư trong chiều rộng cột. Vị trí thẳng đứng của Nút B và B' được xác định là điểm giữa của khối nén chữ nhật tại mặt cột. Quá trình thiết kế bao gồm việc kiểm tra cường độ chảy của Thanh giằng AA', cường độ nén của Thanh chống AB, A'B', BB', BC và B'C', và các mặt sau, mặt chịu lực và mặt nghiêng của Nút A, A', B và B'.
Hình 1.15: Mô hình thanh chống - giằng (Wilson, 2017).
Bảng 1.6 trình bày các kiểm tra thiết kế được xác định cho các mẫu con sơn theo ACI 318-19. Tính toàn vẹn kết cấu của các cấu kiện bê tông được đánh giá nghiêm ngặt thông qua các hạng mục kiểm tra khác nhau, mỗi hạng mục tham chiếu tiêu chuẩn xây dựng ACI 318-19 của Viện Bê tông Mỹ (ACI).
Phân tích IDEA StatiCa
Bảy con sơn bê tông cốt thép được mô tả trong Mục 1.2.1 và 1.2.2 được mô hình hóa bằng phương pháp CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) được tích hợp trong IDEA StatiCa Detail để mô phỏng ứng xử của các mẫu này. Cường độ nén đo được của bê tông, giới hạn chảy của thép cốt thép và cường độ cực hạn của thép cốt thép, như được trình bày bởi Wilson (2017) cho các mẫu C0, C1, C2 và C3 (Bảng 1.3), và bởi Khosravikia et al. (2018) cho các mẫu S1, S2 và S3, đã được đưa vào IDEA StatiCa Detail.
Hình 1.16: (a) Con sơn C0 tại tải trọng 580 kips (2578 kN), (b) độ võng của C0 dưới tải trọng 580 (kips), (c) ứng suất chính bê tông σ_c của C0 tại tải trọng 580 (kips), và (d) biến dạng trong thép cốt thép.
Phát triển và Phân tích Mô hình ABAQUS
Trong phần này, mô hình cơ sở được phát triển trong Mục 1.4.1 (tức là Mẫu C0) được tái tạo bằng phần mềm ABAQUS (phiên bản 2023) để phân tích phần tử hữu hạn (FE), và kết quả được so sánh với những kết quả thu được từ IDEA StatiCa. Trong mô hình, ngoài trọng lượng bản thân, tải trọng thẳng đứng 592 kips (2633 kN) được áp đặt lên bản chịu lực phía trên như minh họa trong Hình 1.23a. Hai điều kiện biên tương tự như thử nghiệm thực nghiệm và mô hình IDEA StatiCa (tức là loại con lăn ở bên phải và loại yên nghiêng ở bên trái) được áp dụng cho Mẫu C0 (xem Hình 1.23b).
Hình 1.23: a) Thiết lập mô hình trong ABAQUS, và b) áp dụng hai điều kiện biên trong ABAQUS.
Các thông số cần thiết để mô tả mô hình này được lấy từ thử nghiệm thực nghiệm sau khi hiệu chỉnh vì chúng không được chỉ định rõ ràng trong Tài liệu tham khảo (Wilson, 2017). Đối với các thanh thép, ứng xử vật liệu được mô hình hóa bằng tính dẻo hai tuyến tính đơn giản. Các thông số khác, bao gồm khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson được lấy từ thư viện vật liệu của IDEA StatiCa Detail. Mô phỏng số được thực hiện trên máy ảo với 16 bộ xử lý (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2.10GHz) và mất khoảng 56 phút để hoàn thành, trong khi IDEA StatiCa Detail hoàn thành tính toán trong chưa đầy một phút.
Hình 1.26, 1.27 So sánh phương ứng suất chính và chuyển vị thẳng đứng giữa IDEA StatiCa Detail và ABAQUS.
Tóm tắt
Bảy con sơn bê tông cốt thép được khảo sát bằng IDEA StatiCa và theo các quy định của phương pháp mô hình thanh chống - giằng theo ACI 318-19 cho bốn con sơn khác nhau (C0, C1, C2, C3) và theo AASHTO LRFD (2016) cho ba mẫu con sơn khác nhau (S1, S2, S3). Ngoài ra, kết quả từ mô hình cơ sở IDEA StatiCa (tức là Con sơn C0) được so sánh với những kết quả từ mô hình ABAQUS tương đương. Các mẫu được mô hình hóa và phân tích bằng IDEA StatiCa để nắm bắt ứng xử thực nghiệm của các con sơn. Khả năng chịu tải tối đa của các con sơn và các đường cong tải trọng so với độ võng tại điểm giữa được vẽ với các kết quả thu được từ IDEA StatiCa và so sánh với dữ liệu đo được.
Trong Hình 1.30, so sánh các tải trọng thu được từ thực nghiệm, phương pháp mô hình thanh chống - giằng (STM) và IDEA StatiCa cho các mẫu C được trình bày. Kết quả làm nổi bật hiệu quả của PIDEA StatiCa trong việc bám sát kết quả thực nghiệm, vượt trội so với các phương pháp truyền thống như STM trong việc cung cấp các dự đoán gần chính xác về hiệu năng của con sơn. Trên tất cả các mẫu (C0, C1, C2 và C3), PIDEA StatiCa liên tục thể hiện sự phù hợp chặt chẽ với khả năng chịu tải tối đa thực nghiệm (Pmax). Các đặc tính của mẫu C0 và C2 là như nhau nhưng mẫu C0 được thử nghiệm với tỷ lệ av /d lớn hơn. Điều này thể hiện ảnh hưởng của tỷ lệ av /d đến khả năng chịu tải của con sơn. Khả năng chịu lực của các con sơn biến đổi tỷ lệ nghịch với tỷ lệ av /d.
Hình 1.30: So sánh tải trọng đo được, tính toán (STM) và tải trọng tối đa từ IDEA StatiCa cho các mẫu C.
Tóm lại, trên tất cả bảy mẫu con sơn (C0 đến C3 và S1 đến S3), tải trọng tối đa được dự đoán bởi IDEA StatiCa liên tục vượt trội so với STM và bám sát kết quả thực nghiệm, ngoại trừ các mẫu S1 và S3. Cụ thể, đối với S1 và S3, tải trọng tối đa thu được từ IDEA StatiCa vượt quá các giá trị đo được lần lượt là 1,5% và 3,1%. Nhìn chung, kết quả từ thử nghiệm thực nghiệm, mô hình thanh chống - giằng (STM), IDEA StatiCa và ABAQUS có sự tương đồng hợp lý.
Về hiệu năng của IDEA StatiCa, rõ ràng là các kết quả có thể so sánh được với những kết quả của ABAQUS. Điều này cho thấy IDEA StatiCa có khả năng mô phỏng và phân tích ứng xử kết cấu một cách chính xác. Tính hiệu quả và độ tin cậy của phần mềm cho các tác vụ phân tích và thiết kế kỹ thuật được khẳng định bởi khả năng cung cấp kết quả phù hợp với các công cụ đã được thiết lập như ABAQUS. Tuy nhiên, luôn nên đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cho các ứng dụng cụ thể bằng cách kiểm chứng kết quả từ bất kỳ phần mềm nào với dữ liệu thực nghiệm hoặc các phương pháp số thay thế. Việc tinh chỉnh và kiểm chứng thêm các mô hình phân tích có thể nâng cao độ chính xác của các dự đoán, đảm bảo các quy trình phân tích và thiết kế kết cấu bền vững hơn.
