Ứng xử của năm mẫu dầm sâu bê tông cốt thép (BTCT) đã được nghiên cứu trong chương này. Khả năng chịu lực và biến dạng của chúng được đánh giá bằng IDEA StatiCa và so sánh với khả năng thiết kế được xác định thông qua phương pháp mô hình thanh chống - giằng (STM) theo ACI 318-05 (2005) và ACI 318-19 (2019). Kết quả được đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm.
Một trong các mẫu thử dầm sâu được chọn làm mô hình cơ sở để kiểm tra thêm bằng phần mềm ABAQUS (2023). Quá trình này bao gồm tính toán và so sánh quan hệ tải trọng - độ võng, phân bố ứng suất chính và hình thái vết nứt với các kết quả quan sát được trong thí nghiệm (Huizinga, 2007). Ngoài ra, một nghiên cứu chi tiết về ảnh hưởng của cốt thép phụ đến khả năng chịu lực của dầm sâu cũng được thực hiện.
Hình 2.45: So sánh ứng suất chính trong bê tông được tính toán giữa IDEA StatiCa và ABAQUS.
Nghiên cứu thực nghiệm
Để đánh giá ứng xử kết cấu của dầm sâu, năm mẫu dầm sâu bê tông cốt thép (BTCT) được xác định là 1A, 1B, 2A, 3A và 3B đã được kiểm tra. Các mẫu này được thiết kế bởi Huizinga (2007) theo các quy định của mô hình thanh chống - giằng (STM) trong ACI 318-05 (2005). Việc chế tạo và thử nghiệm các mẫu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Kết cấu Ferguson của Đại học Texas tại Austin. Cốt thép chính được giữ nhất quán trên tất cả các mẫu, trong khi các biến thể được đưa vào cốt thép bụng. Các mẫu được thiết kế chỉ để chịu tải trọng thẳng đứng, bỏ qua các lực kéo ngang có thể xảy ra. Bố trí thử nghiệm được đơn giản hóa tương ứng, chỉ tập trung vào tải trọng thẳng đứng, với mỗi mẫu được đỡ bởi hai bản chịu lực (Hình 2.7 và 2.8). Trong số các mẫu, 1A được chọn làm mô hình cơ sở và được phân tích thêm bằng phần mềm ABAQUS.
Hình 2.7: Bố trí thử nghiệm, mặt đứng của dầm sâu (Huizinga, 2007).
Hình 2.13: Nhịp cắt 1A: a) mặt cắt ngang, và b) mặt đứng (Huizinga, 2007).
Phân tích IDEA StatiCa
Phương pháp CSFM (phương pháp trường ứng suất tương thích) được tích hợp trong IDEA StatiCa Detail đã được sử dụng để mô hình hóa và mô phỏng ứng xử của năm dầm sâu bê tông cốt thép được mô tả trong Mục 2.3.2. Cường độ chịu nén thực tế hoặc đo được của bê tông, và cường độ chảy dẻo và cường độ cực hạn của cốt thép (theo Huizinga, 2007) được sử dụng để mô hình hóa các mẫu 1A, 1B, 2A, 3A và 3B.
Phân tích mô hình cơ sở (Mẫu 1A)
Sử dụng các đặc tính vật liệu đo được trình bày trong Bảng 2.4 và 2.5, mô hình IDEA StatiCa cho mẫu cơ sở đã được xây dựng. Để kiểm chứng và cải thiện các mô hình và mô phỏng bằng dữ liệu thực nghiệm, hệ số vật liệu cho bê tông (ϕc) và cốt thép (ϕs) trong IDEA StatiCa được đặt bằng 1,0. Trọng lượng bản thân của dầm sâu và tải trọng tác dụng là hai loại tải trọng được xem xét trong phân tích IDEA StatiCa. Tải trọng tác dụng tối đa được đưa vào mô hình theo từng bước với 100 gia số từ không đến giá trị tối đa để thu được quan hệ tải trọng - độ võng của mẫu dầm sâu.
Một bản chịu lực dày 4 in. (101,6 mm) được đưa vào mô hình dưới tải trọng tác dụng. Kích thước của bản chịu lực được sử dụng theo giá trị đề cập trong Bảng 2.4 do Huizinga (2007) trình bày. Gối tựa bên trái của dầm sâu được cố định theo phương ngang (x) và phương đứng (z) đại diện cho gối khớp, trong khi gối tựa bên phải chỉ được cố định theo phương đứng (z) để hoạt động như gối con lăn. Gối tựa bản chịu lực dạng điểm được xem xét cho cả hai đầu và kích thước của bản được xem xét là 16 in. x 36 in. (406,4 mm x 914,4 mm). Chiều dày của bản chịu lực gối tựa được xem xét là 2 in. (50,8 mm). Hệ số tải trọng bằng 1,0 cho cả hai dạng tải trọng, tức là trọng lượng bản thân và tải trọng tác dụng, được sử dụng trong phân tích IDEA StatiCa tập trung vào tổ hợp tải trọng trạng thái giới hạn cực hạn (ULS).
Quá trình tính toán khả năng chịu lực trong IDEA StatiCa bao gồm việc tăng dần tải trọng tác dụng cho đến khi đạt được một trong các điều kiện sau:
- Bê tông đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
- Cốt thép đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
- Thép neo đạt 100% khả năng chịu lực dưới tải trọng tác dụng.
Tại tải trọng tác dụng 1540 kips (6850 kN), bê tông đang hoạt động ở mức 99,6% khả năng chịu lực, trong khi các thanh cốt thép đạt 100% khả năng chịu lực và thép neo đạt 99,9% khả năng chịu lực (Hình 2.35). Các gia số tải trọng tiếp theo sẽ vượt quá khả năng chịu lực của cốt thép, do đó được coi là tải trọng tối đa bởi IDEA StatiCa. Dưới tải trọng 1540 kips (6850 kN), độ võng của mẫu dầm sâu dưới tải trọng được ghi nhận là 0,679 in. (17,25 mm). Hình 2.35 trình bày kết quả chi tiết cho mẫu dầm sâu 1A thu được bằng IDEA StatiCa dưới tải trọng tác dụng tối đa 1540 kips (6850 kN).
Hình 2.35: Dầm sâu 1A tại tải trọng 1540 kips (6850 kN): a) kết quả IDEA StatiCa, b) góc nhìn 3D, c) dòng ứng suất, d) ứng suất chính trong bê tông (σc), e) ứng suất trong cốt thép, f) biến dạng trong cốt thép, và g) đường đồng mức độ võng.
Phát triển và phân tích mô hình ABAQUS
Trong phần này, mô hình cơ sở được phát triển trong Mục 2.4.1 (tức là Mẫu 1A) được tái tạo bằng phần mềm ABAQUS (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 1.572,5 kips (6995,3 kN) (theo gia số 50 kips) được áp đặt lên bản chịu lực phía trên có chiều dày 4 in. (101,6 mm) như minh họa trong Hình 2.40. Hai điều kiện biên tương tự như thử nghiệm thực nghiệm và mô hình IDEA StatiCa (tức là dầm đơn giản) được áp dụng cho Mẫu 1A (xem lại Hình 2.40). Trong ABAQUS, kích thước phần tử được chọn là 0,5 in. (12,7 mm) sau phân tích độ nhạy lưới thông thường, dẫn đến tổng cộng 89.510 phần tử trong mô hình. Phần tử khối gạch tuyến tính 8 nút tích phân giảm 3D (tức là C3D8R) được chọn làm loại phần tử cho bê tông, trong khi phần tử thanh được chọn cho các thanh cốt thép.
Hình 2.40: Bố trí mô hình trong ABAQUS thể hiện vị trí và chi tiết của tải trọng tác dụng và điều kiện biên.
Ràng buộc vùng nhúng được sử dụng để tích hợp cốt thép trong dầm sâu A1 (xem Hình 2.41). Ngoài ra, tiếp xúc bề mặt với bề mặt tổng quát được xác định giữa các bản chịu lực tải trọng và gối tựa với mẫu bê tông. Trong ABAQUS, mô hình cấu thành Bê tông Dẻo Hư hỏng (CDP) được sử dụng. Các thông số cần thiết để mô tả mô hình này được lấy từ dữ liệu thực nghiệm sau khi hiệu chỉnh vì chúng không được chỉ định rõ ràng trong Tài liệu tham khảo (Huizinga, 2007). Đối với các thanh thép, ứng xử vật liệu được mô hình hóa bằng tính dẻo song tuyến tính đơn giản. Các thông số khác, bao gồm khối lượng riêng, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson được lấy chính xác từ thư viện vật liệu IDEA StatiCa. Mô phỏng số được thực hiện trên máy ảo với 16 bộ xử lý (Intel Xenon® Gold Processor 6430 @2,10GHz) và mất khoảng 51 phút để hoàn thành, trong khi IDEA StatiCa Detail hoàn thành tính toán trong chưa đầy hai phút.
Tóm tắt
Ứng xử của năm dầm sâu bê tông cốt thép (BTCT) đã được nghiên cứu bằng IDEA StatiCa, và khả năng chịu lực của chúng cũng được xác định bằng phương pháp mô hình thanh chống - giằng (STM) theo quy định của ACI 318-05. Hơn nữa, một phân tích so sánh đã được thực hiện giữa các kết quả thu được từ mô hình IDEA StatiCa cho dầm sâu 1A và những kết quả thu được từ mô hình ABAQUS tương đương. Các mẫu được mô hình hóa và phân tích bằng IDEA StatiCa để mô phỏng chính xác ứng xử thực nghiệm của chúng. Sau đó, khả năng chịu tải tối đa và quan hệ tải trọng - độ võng được xác định bằng IDEA StatiCa được so sánh với dữ liệu đo được.
Hình 2.48 so sánh các tải trọng thu được từ thực nghiệm, STM và IDEA StatiCa cho các mẫu dầm sâu. Kết quả IDEA StatiCa khớp chặt chẽ với kết quả thực nghiệm, vượt trội hơn các phương pháp thông thường như STM trong việc đưa ra dự đoán gần chính xác về ứng xử của dầm sâu. Trên tất cả các mẫu (1A, 1B, 2A, 3A và 3B), IDEA StatiCa liên tục thể hiện sự phù hợp chặt chẽ hơn với khả năng chịu tải đo được (Pmax). Cần lưu ý rằng STM được phát triển cho mục đích thiết kế và được kỳ vọng cho kết quả thiên về an toàn. Mặt khác, IDEA StatiCa được kỳ vọng nắm bắt được phản ứng đo được tối đa của các dầm sâu.
Hình 2.48: So sánh tải trọng đo được, tính toán (STM) và tải trọng tối đa từ IDEA StatiCa cho các mẫu dầm sâu.
Dữ liệu trình bày trong Hình 2.48 cho thấy sự khác biệt giữa tải trọng đo được và tải trọng được tính toán bằng Phương pháp trường ứng suất tương thích (CSFM) trong IDEA StatiCa cho năm dầm sâu. Ví dụ, dầm sâu 1A cho thấy sự chênh lệch khoảng 5% giữa tải trọng đo được và tải trọng tính toán theo CSFM. Tương tự, dầm sâu 1B cho thấy độ lệch khoảng 11%. Đối với dầm sâu 2A, sự chênh lệch giữa tải trọng đo được và tải trọng tính toán theo CSFM là khoảng 9%. Tuy nhiên, mục tiêu chính của chương trình thử nghiệm là nghiên cứu cường độ chịu lực cắt và ứng xử sử dụng bình thường của dầm sâu, với trọng tâm là gây ra phá hoại do lực cắt trong mỗi nhịp cắt.
