MÔ PHỎNG ỨNG XỬ NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN DO ION CLORUA

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021. 15 (2V): 65–78

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ ĂN MÒN DO ION CLORUA

Bùi Hải Nam^a, Nguyễn Quang Đạt^a, Đỗ Văn Công^a, Nguyễn Tử Hòa^a, Nguyễn Đức Nhân^a, Phùng Công Minh^a, Nguyễn Trung Kiên^a, Nguyễn Ngọc Tân^a,∗

aKhoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 30/04/2021, Sửa xong 24/05/2021, Chấp nhận đăng 25/05/2021

Tóm tắt

Trong bài báo này, ảnh hưởng của sự ăn mòn cốt thép dọc và cốt thép đai đến khả năng chịu lực của các cột bê tông cốt thép đã được nghiên cứu bằng phương pháp số thông qua phần mềm phần tử hữu hạn DIANA FEA.

Các mô hình vật liệu suy giảm do ăn mòn sử dụng đã được kiểm chứng dựa trên sự so sánh giữa kết quả mô hình và kết quả thực nghiệm đối với biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị, cơ chế phá hoại và sự phân bố vết nứt. Hơn nữa, một nghiên cứu tham số đã được thực hiện nhằm khảo sát ảnh hưởng của độ lệch tâm và khoảng cách cốt thép đai đến ứng xử của cột ăn mòn. Nghiên cứu này chỉ ra rằng độ lệch tâm phải nhận được nhiều quan tâm do ảnh hưởng đáng kể của nó đến khả năng chịu nén và dạng phá hoại. Đồng thời, ảnh hưởng của khoảng cách cốt thép đai đến khả năng chịu lực của cột chịu nén lệch tâm là đáng kể hơn so với ảnh hưởng của nó đến dạng phá hoại.

Từ khoá: bê tông cốt thép; cột ăn mòn; ăn mòn cốt thép; mô hình phần tử hữu hạn; độ lệch tâm; khoảng cách cốt thép đai.

MODELING THE ECCENTRIC COMPRESSION BEHAVIOR OF CORRODED REINFORCED CONCRETE COLUMNS ATTACKED BY CHLORIDE IONS

Abstract

In this paper, the effects of longitudinal and shear reinforcements corrosion on the structural performance of reinforced concrete (RC) columns have been studied by finite element model using DIANA FEA software.

The constitutive models applied were validated by comparing experiments which showed a good agreement in terms of load - displacement curve, failure mechanism and cracking patterns. Moreover, the parametric study was also conducted in order to identify the effects of eccentricity and tie spacing on the structural performance of corroded RC columns. This study shows that the eccentricity should be received more attention due to its considerable effect on the axial compression capacity and failure mechanism. It also shows that the effect of tie spacing in eccentric corroded columns on the load-carrying capacity is more significant than its contribution to the failure mode.

Keywords: reinforced concrete; corroded column; reinforcement corrosion; finite element model; eccentric; tie spacing.

https://doi.org/10.31814/stce.nuce2021-15(2V)-06 ©2021 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

1. Mở đầu

Sự xuống cấp của các cấu kiện cột bê tông cốt thép (BTCT) thường dẫn đến nguy cơ cao về phá hoại và sự sụp đổ của công trình thực tế, bởi vì cột chịu tải trọng đứng và ngang từ tầng trên truyền

∗Tác giả đại diện.Địa chỉ e-mail:tannn@nuce.edu.vn(Tân, N. N.)

65

Nam, B. H., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

xuống tầng dưới cho đến khi toàn bộ tải trọng tập trung tại kết cấu móng [1]. Nhìn chung, kết cấu cột sẽ bị hư hỏng nhanh hơn do hiện tượng ăn mòn cốt thép khi chịu tác động của các tác nhân xâm thực từ môi trường như minh họa trên Hình1. Sự ăn mòn chủ yếu được gây ra bởi sự xâm nhập của các ion clorua, hoặc quá trình cacbonat hóa bê tông hoặc sự kết hợp của cả hai nguyên nhân này [2]. Trong điều kiện bình thường, lớp bê tông bảo vệ đóng một vai trò quan trọng chống lại sự bắt đầu của quá trình ăn mòn bởi vì môi trường vật liệu có độ pH cao. Tuy nhiên, nhiều công trình BTCT ở nước ta đã được xây dựng với lớp bê tông bảo vệ có chiều dày không đủ lớn hoặc có cường độ thấp [3].

2

cơ cao về phá hoại và sự sụp đổ của công trình thực tế, bởi vì cột chịu tải trọng đứng và ngang từ tầng trên truyền xuống tầng dưới cho đến khi toàn bộ tải trọng tập trung tại kết cấu móng [1]. Nhìn chung, kết cấu cột sẽ bị hư hỏng nhanh hơn do hiện tượng ăn mòn cốt thép khi chịu tác động của các tác nhân xâm thực từ môi trường như minh họa trên Hình 1. Sự ăn mòn chủ yếu được gây ra bởi sự xâm nhập của các ion clorua, hoặc quá trình cacbonat hóa bê tông hoặc sự kết hợp của cả hai nguyên nhân này [2]. Trong điều kiện bình thường, lớp bê tông bảo vệ đóng một vai trò quan trọng chống lại sự bắt đầu của quá trình ăn mòn bởi vì môi trường vật liệu có độ pH cao. Tuy nhiên, nhiều công trình BTCT ở nước ta đã được xây dựng với lớp bê tông bảo vệ có chiều dày không đủ lớn hoặc có cường độ thấp [3].

Hình 1. Sự oằn cốt thép dọc bị ăn mòn của cột BTCT trên công trình thực tế Sự ăn mòn thép được xem là một vấn đề có tính toàn cầu, bởi vì nó là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp của kết cấu BTCT. Quá trình ăn mòn cốt thép gây ra những hư hỏng dẫn đến sự suy giảm về khả năng chịu lực cũng như độ an toàn của các kết cấu công trình [4]. Quá trình này liên quan đến sự mất mát tiết diện chịu lực của cốt thép, sự mở rộng của vết nứt bê tông, cũng như sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép. Chúng dẫn đến các phân bố phức tạp của biến dạng và ứng suất, ứng xử phi tuyến của kết cấu. Đối với trường hợp ăn mòn đồng đều, khả năng chịu lực của kết cấu chủ yếu bị chi phối bởi mức độ ăn mòn cốt thép. Trong khi đó, sự biến thiên diện tích tiết diện của cốt thép có tác động đáng kể hơn mức độ ăn mòn trong trường hợp ăn mòn điểm. Nghiên cứu tổng quan đã chỉ ra rằng có một số lượng đáng kể các công trình nghiên cứu về ứng xử cơ học của kết cấu, đặc biệt là ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt.

Trong khi đó, các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số đối với ứng xử chịu nén của các cấu kiện cột BTCT bị ăn mòn vẫn còn tương đối hạn chế [5].

Hình 1. Sự oằn cốt thép dọc bị ăn mòn của cột BTCT trên công trình thực tế

Sự ăn mòn thép được xem là một vấn đề có tính toàn cầu, bởi vì nó là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp của kết cấu BTCT. Quá trình ăn mòn cốt thép gây ra những hư hỏng dẫn đến sự suy giảm về khả năng chịu lực cũng như độ an toàn của các kết cấu công trình [4]. Quá trình này liên quan đến sự mất mát tiết diện chịu lực của cốt thép, sự mở rộng của vết nứt bê tông, cũng như sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép. Chúng dẫn đến các phân bố phức tạp của biến dạng và ứng suất, ứng xử phi tuyến của kết cấu. Đối với trường hợp ăn mòn đồng đều, khả năng chịu lực của kết cấu chủ yếu bị chi phối bởi mức độ ăn mòn cốt thép. Trong khi đó, sự biến thiên diện tích tiết diện của cốt thép có tác động đáng kể hơn mức độ ăn mòn trong trường hợp ăn mòn điểm.

Nghiên cứu tổng quan đã chỉ ra rằng có một số lượng đáng kể các công trình nghiên cứu về ứng xử cơ học của kết cấu, đặc biệt là ứng xử chịu uốn và ứng xử chịu cắt. Trong khi đó, các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số đối với ứng xử chịu nén của các cấu kiện cột BTCT bị ăn mòn vẫn còn tương đối hạn chế [5].

Trên thế giới, ảnh hưởng của ăn mòn cốt thép đến các ứng xử cơ học của cột BTCT đã được phân tích trong một số nghiên cứu thực nghiệm [6–9]. Những kết quả thu được chỉ ra rằng, nguyên nhân dẫn tới sự suy giảm khả năng chịu lực của cột bị ăn mòn chủ yếu xuất phát từ sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép, giảm hiệu ứng bó của bê tông và đặc biệt là giảm tiết diện chịu lực của cốt thép. Dựa vào phương pháp gia tốc ăn mòn cốt thép, một số nghiên cứu khác đã xem xét ứng xử của cột BTCT với cốt thép bị ăn mòn cục bộ, trong đó các tham số như phạm vi cốt thép bị ăn mòn và

66

trạng thái ứng suất đã được thảo luận [10,11]. Hầu hết các nghiên cứu kể trên mới chỉ tập trung xem xét sự ăn mòn của cốt thép dọc. Tuy vậy, trên thực tế cả cốt thép dọc và cốt đai đều bị ăn mòn, và thông thường cốt thép đai có thể bị ăn mòn ở mức độ nghiêm trọng hơn do có đường kính nhỏ và chiều dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ hơn.

Ở trong nước, những nghiên cứu về ứng xử của cấu kiện BTCT bị ăn mòn chủ yếu được thực hiện đối với kết cấu dầm [12–15]. Trong khi đó, các nghiên cứu về ứng xử của cột ăn mòn còn khá hạn chế.

Một nghiên cứu số của Nguyên và Tân (2019) [16] đã xem xét đến ảnh hưởng của vị trí ăn mòn cốt thép đến khả năng chịu lực còn lại của cột BTCT lệch tâm phẳng. Do đó, các nghiên cứu thực nghiệm và mô hình về ứng xử của cột ăn mòn là thực sự cần thiết trong thực tiễn, do Việt Nam là nước có đường bờ biển dài, nhiều đô thị và thành phố lớn được xây dựng ven biển hoặc trong môi trường chịu tác động của các tác nhân xâm thực gây ra ăn mòn cốt thép.

Trong bài báo này, ảnh hưởng của cốt thép dọc và cốt thép đai bị ăn mòn đến ứng xử cơ học của cột BTCT dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm phẳng đã được nghiên cứu bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm DIANA FEA. Để hiểu được ứng xử chịu lực của cột bị ăn mòn, các mẫu cột đã được mô phỏng để kiểm tra sự phù hợp của các mô hình vật liệu suy giảm do ăn mòn. Nghiên cứu mô phỏng đã được thực hiện trên bốn mẫu cột thử nghiệm, với các mức độ cốt thép từ 0 đến 20%

dựa trên sự mất mát khối lượng. Việc kiểm chứng kết quả mô phỏng dựa trên sự so sánh biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị với số liệu thực nghiệm. Các kết quả mô phỏng có thể mô tả lại ứng xử cơ học của kết cấu, bao gồm khả năng chịu lực, chuyển vị và dạng phá hoại của các cấu kiện cột thí nghiệm. Sau khi mô hình đề xuất được kiểm chứng, một nghiên cứu tham số đã được phân tích và thảo luận để đánh giá ảnh hưởng của một số tham số như độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai ở bụng cột.

2. Mô hình phi tuyến 3D của cột BTCT bị ăn mòn

2.1. Mô hình suy giảm của bê tông

Mô hình suy giảm của bê tông dựa trên mô hình tổng biến dạng của vết nứt cố định. Sự trương nở thể tích của các sản phẩm ăn mòn gây ra vết nứt bê tông. Do đó, nó làm giảm cường độ chịu nén của bê tông trong vùng hư hỏng khi so với vùng bê tông không bị hư hỏng. Sự xuống cấp của lớp bê tông bảo vệ do ăn mòn được đề cập trong mô hình phần tử hữu hạn bằng cách thay đổi mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông như minh họa trong Hình2(a), đề xuất bởi Coronelli và Gambarova [17] và đã được kiểm chứng trong một nghiên cứu số của Lim và cs. [4]. Trong đó, ứng xử nén của bê tông được mô hình hóa bằng cách sử dụng một phương trình parabol sẵn có trong thư viện của phần mềm DIANA FEA [18]. Ứng xử đàn hồi tuyến tính của bê tông không bị ăn mòn được xem xét khi ứng suất nhỏ hơn 30% cường độ chịu nén (f_c⁰), trong khi đó sự suy giảm cường độ chịu nén của bê tông có thể được mô tả bằng phương trình (1) với f_c,d⁰ là cường độ chịu nén của bê tông bị xuống cấp do ăn mòn. Ứng xử nén của bê tông khi đạt đến cường độ giới hạn được mô hình hóa bằng cách sử dụng năng lượng phá hoại nén (Gc) [19,20]. Trong khi,k⁰là hệ số liên quan đến độ gồ ghề và đường kính cốt thép, lấy bằng 0,1 đối với thép thanh vằn có đường kính trung bình [21],ε₀là biến dạng nén dọc trục tương ứng với cường độ chịu nén vàε₁là biến dạng ngang trung bình.

f_c,d⁰ = f_c⁰/

1+k⁰(ε₁/ε₀)

(1) Biến dạngε1có thể tính được bằng công thức (2), vớib₀là chiều rộng của tiết diện không có vết nứt do ăn mòn,b_f là chiều rộng của tiết diện cột tăng lên bởi sự xuất hiện vết nứt do ăn mòn.

ε₁ =

bf −b₀

/b₀ (2)

67

bf −b₀=nbarswcr (3) trong đónbarslà số lượng thanh thép,wcrlà tổng bề rộng vết nứt đối với mức độ ăn mòn tương ứng.

Tổng bề rộng vết nứtw_crcó thể được xác định bằng công thức (4) được đề xuất bởi Molina và cs. [22]

trong trường hợp không có số liệu từ các thí nghiệm.

w_cr =2 (vrs−1)X_d (4)

trong đóvrs là tỉ số giữa thể tích đặc trưng của sản phẩm gỉ và thể tích thép được giả định là 2.Xd là chiều sâu ăn mòn được xác định bằng công thức (5), được đề xuất trong nghiên cứu của Val [23], với icorr= 0,35µA/cm²là mật độ dòng điện ăn mòn trong thanh thép vàt(năm) là thời gian ăn mòn.

X_d=0,0116icorrt (5)

Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

dụng cho các phần tử bê tông để mô hình hóa ảnh hưởng của sự mất mát cường độ và độ dẻo do nứt bê tông gây ra đến cột thí nghiệm bị ăn mòn.

Hình 2. Mô hình vật liệu suy giảm và mô hình cột chịu nén lệch tâm 2.2. Mô hình suy giảm của cốt thép

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cường độ và độ dẻo của cốt thép bị ăn mòn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên diện tích tiết diện cốt thép bị mất mát dọc theo chiều dài thanh thép [26]. Để đơn giản hóa, việc mô hình phần tử thép bị ăn mòn dựa trên sự mất mát tiết diện trung bình của toàn bộ thanh thép, do sự khó khăn trong việc mô hình sự biến thiên của ăn mòn điểm. Ngoài việc kể đến sự suy giảm tiết diện trung bình của thanh thép, việc sử dụng các hệ số thực nghiệm (có giá trị nhỏ hơn 1,0) sẽ kể đến sự giảm độ bền và độ dẻo do tiết diện thay đổi dọc theo chiều dài thanh thép bị ăn mòn. Mô hình hai đoạn thẳng biểu diễn mối quan hệ ứng suất - biến dạng của thép như minh họa trong Hình 2(b) được sử dụng mà không có các hệ số thực nghiệm vì sự xuống cấp của thanh

(a) Mô hình bê tông [4]

(d) Mô hình cột BTCT (b) Mô hình cốt thép [4]

(c) Mô hình bám dính [4]

Hình 2. Mô hình vật liệu suy giảm và mô hình cột chịu nén lệch tâm

Độ cứng kéo của vật liệu bê tông khi kéo được biểu diễn thông qua mô hình phi tuyến của Hordijk và cs. [24], được mô tả trong thư viện hướng dẫn sử dụng của phần mềm DIANA FEA [18]. Trong đó Gf là năng lượng phá hoại kéo,h = √

Alà bề rộng dải nứt được lấy bằng căn bậc hai của tổng diện tích A của các phần tử (xem Hình2(a)). Các thông số đầu vào bao gồmGF và f_t⁰được tính toán bởi

68

tiêu chuẩn CEB-FIP Mode [25] dựa trên cường độ chịu nén của bê tông và kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu. Trong mô hình phần tử hữu hạn này, giá trị cường độ chịu nén suy giảm do ăn mòn f_c,d⁰ được tính toán bởi công thức (1) và giá trị suy giảm của năng lượng phá hoại kéoG_cđược sử dụng cho các phần tử bê tông để mô hình hóa ảnh hưởng của sự mất mát cường độ và độ dẻo do nứt bê tông gây ra đến cột thí nghiệm bị ăn mòn.

2.2. Mô hình suy giảm của cốt thép

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cường độ và độ dẻo của cốt thép bị ăn mòn chủ yếu bị ảnh hưởng bởi sự biến thiên diện tích tiết diện cốt thép bị mất mát dọc theo chiều dài thanh thép [26].

Để đơn giản hóa, việc mô hình phần tử thép bị ăn mòn dựa trên sự mất mát tiết diện trung bình của toàn bộ thanh thép, do sự khó khăn trong việc mô hình sự biến thiên của ăn mòn điểm. Ngoài việc kể đến sự suy giảm tiết diện trung bình của thanh thép, việc sử dụng các hệ số thực nghiệm (có giá trị nhỏ hơn 1,0) sẽ kể đến sự giảm độ bền và độ dẻo do tiết diện thay đổi dọc theo chiều dài thanh thép bị ăn mòn. Mô hình hai đoạn thẳng biểu diễn mối quan hệ ứng suất - biến dạng của thép như minh họa trong Hình2(b) được sử dụng mà không có các hệ số thực nghiệm vì sự xuống cấp của thanh thép bị ăn mòn được xem xét trong mô hình phần tử hữu hạn bằng cách giảm tiết diện trên toàn bộ chiều dài thanh thép tương ứng với khối lượng kim loại bị mất mát, trong đó mô đun sau khi chảy dẻo được giả thiết bằng 1% giá trị mô đun đàn hồiEs. Trong đó, cường độ chảy và cường độ bền của thép lần lượt là f_yvà f_su, trong khiεyvàεsutương ứng là biến dạng chảy và biến dạng lớn nhất. Cốt thép bị ăn mòn được mô phỏng một cách đơn giản bằng việc giảm tiết diện dựa trên khối lượng kim loại bị mất mát do ăn mòn được xác định từ thí nghiệm. Các phương trình sau đây có thể được sử dụng để tính toán diện tích tiết diện ngang của cốt thép bị ăn mòn:

As= πD² 4

1− c

100

(6) c= W₀−WC

W₀ 100 (7)

trong đóW₀vàWclà khối lượng của cốt thép trước và sau khi bị ăn mòn,clà mức độ ăn mòn.

2.3. Mô hình suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép

Hiệu ứng bó trong cấu kiện BTCT được tạo ra do cốt đai và khối lượng kim loại bị ăn mòn là hai yếu tố chính ảnh hưởng tới mối quan hệ ứng suất bám dính – chuyển vị trượt. Trước thời điểm xuất hiện vết nứt, mô hình lực bám dính trước và sau khi suy giảm có sự tương đồng. Cường độ bám dính ban đầu tăng dần cùng với sự xuất hiện sự ăn mòn trong cốt thép, sau đó thì cường độ bám dính giảm một cách đáng kể khi có sự xuất hiện nhiều hơn các vết nứt hình thành dọc theo thanh cốt thép. Tuy nhiên, dựa vào việc cấu tạo lớp bê tông bảo vệ và lựa chọn số lượng cốt đai, hiện tượng suy giảm bám dính trong kết cấu BTCT có cốt thép bị ăn mòn thường do cơ chế bong tách. Do đó, trong nghiên cứu hiện tại, đối với việc mô hình sự suy giảm bám dính giữa bê tông và cốt thép, biểu đồ ứng suất bám dính – chuyển vị trượt đề xuất bởi Kallias và Rafiq [27], Maaddawy và cs. [28] được sử dụng với các thông số được tính toán theo các công thức (8) và (9). Ngoài ra, mối quan hệ ứng suất bám dính – trượt trong tiêu chuẩn CEB-FIP mode [25] cũng được sử dụng để mô hình sự bám dính tiêu chuẩn như trong Hình2(c).

U_max,D=R[0,55+0,24 (c/db)]p

f_c+0,191

A_stf_yt/Ssd_b

(8) 69

R=A₁+A₂mL (9) trong đóU_max,Dlà cường độ bám dính suy giảm,clà chiều dày lớp bê tông bảo vệ,dblà đường kính của cốt thép dọc, A_st là diện tích cốt đai, f_yt là cường độ chảy của thép đai,S_slà khoảng cách các thanh cốt đai, vàRlà hệ số xét đến sự suy giảm đóng góp của bê tông đến cường độ bám dính. Giá trị A₁ = 1,079 vàA₂ = −0,0123 được xác định với cường độ dòng điện ăn mònicorr= 0,35 (mA/cm²) [28], và mL là khối lượng mất mát kim loại theo phần trăm. Công thức (8) xem xét đồng thời ảnh hưởng của bê tông và cốt đai đến cường độ bám dính, cho nên với việc áp dụng công thức này có thể đề cập tới sự thay đổi khoảng cách giữa các cốt đai và cường độ chịu nén của bê tông trong nhiều trường hợp. Mô hình suy giảm bám dính này đã được kiểm chứng bởi nghiên cứu số của Saether và cs. [29].

3. Kiểm chứng mô hình phần tử hữu hạn 3.1. Giới thiệu mẫu cột thử nghiệm

Sau quá trình ăn mòn điện hóa, mức độ ăn mòn của cốt thép dọc và cốt đai được xác định bằng cách cân khối lượng còn lại và so sánh khối lượng trước khi bị ăn mòn.

Bảng 2 trình bày mức độ ăn mòn thực tế của cốt thép của từng mẫu cột. Trong đó, cốt thép dọc bị ăn mòn với giá trị trung bình từ 3,7% đến 8,6%, còn cốt đai bị ăn mòn với giá trị trung bình từ 7,6 – 23,2%.

Nhìn chung, mức độ ăn mòn trong cốt thép đai lớn hơn so với cốt thép dọc. Lý do cho hiện tượng này bởi vì chiều dày lớp bê tông bảo vệ của cốt đai thường khá nhỏ, gia tăng khả năng thâm nhập của ion clorua với nồng độ cao vào trong cấu kiện.

Hơn nữa, khi tiếp xúc cùng với một cường độ dòng điện trong thí nghiệm ăn mòn điện hóa, mức độ ăn mòn cốt đai nghiêm trọng hơn so với cốt dọc xuất phát từ sự chênh

lệch đường kính của hai loại cốt thép. Mặt cắt A-A

Hình 3. Cấu tạo cột thí nghiệm [1]

3.2. Xác định kích thước và độ nhạy của lưới trong mô hình số

Trong nghiên cứu này, sự xem xét kích thước và độ nhạy của lưới trong mô phỏng số đã được thực hiện. Nghiên cứu của Maekawa và cộng sự [30] chỉ ra rằng mô hình độ cứng kéo được sử dụng cho bê tông không phụ thuộc vào kích thước phần tử và lưới. Cần lưu ý rằng do vật liệu bê tông không đồng nhất, kích thước lưới được sử dụng là 20 mm dựa vào kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu thô. Do đó, kích thước lưới trong phân tích ba chiều có thể tương đối lớn nhằm giảm thời gian phân tích mà vẫn không ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả [31].

3.3. Mô hình hóa cột BTCT

Bê tông được mô hình hóa bằng phần tử lục giác đặc 20 nút có kích thước là 20x20x20 mm như minh họa trong Hình 2(d). Cường độ chịu nén của bê tông đối chứng được khai báo là 29,47 MPa tương ứng với giá trị thu được từ thí nghiệm nén trên mẫu thử hình lập phương kích thước là 150x150x150mm. Trong khi đó, cường độ chịu nén suy giảm của bê tông tại các vùng ăn mòn được tính bằng công thức (2) với giá trị giảm từ 29,47 xuống 20 MPa tương ứng với mức độ ăn mòn của cốt thép dọc và cốt đai tăng từ 5% lên 20%. Bởi vì cường độ chịu kéo của bê tông không được cung cấp trong nghiên cứu thực nghiệm [1], do đó giá trị của nó khi mô phỏng được tính toán dựa trên cường độ chịu nén theo kiến nghị bởi tiêu chuẩn CEB-FIP Mode [25]. Trong nghiên cứu này, cường

Hình 3. Cấu tạo cột thí nghiệm [1]

Trong phần này, bốn mẫu cột BTCT trong một nghiên cứu thực nghiệm của Li và cs. (2020) [1], có các kích thước 120×120×750 mm như Hình3 được sử dụng để thực hiện việc kiểm chứng mô hình phần tử hữu hạn. Mục tiêu của thí nghiệm là xác định trạng thái ứng suất của cột bê tông cốt thép bị ăn mòn khi chịu lực lệch tâm phẳng với độ lệch tâm e = 0,83h = 100 mm, trong đóh = 120 mm là chiều cao của mặt cắt ngang. Các cột thí nghiệm được chế tạo bằng bê tông có cường độ chịu nén trung bình trên mẫu lập phương với kích thước 150×150×150 mm ở 28 ngày tuổi là 29,47 MPa. Các tính chất cơ lý của cốt thép được tổng hợp trong Bảng1, bao gồm các chỉ tiêu đó là đường kính danh nghĩa, cường độ chảy, cường độ bền và mô đun đàn hồi.

Sau quá trình ăn mòn điện hóa, mức độ ăn mòn của cốt thép dọc và cốt đai được xác định bằng cách cân khối lượng còn lại và so sánh khối lượng trước khi bị ăn mòn. Bảng 2 trình bày mức độ ăn mòn thực tế của cốt thép của từng mẫu cột. Trong đó, cốt thép dọc bị ăn mòn với giá trị trung bình từ 3,7% đến 8,6%, còn cốt đai bị ăn mòn với giá trị trung bình từ 7,6 – 23,2%. Nhìn chung, mức độ ăn mòn trong cốt thép đai lớn hơn so với cốt thép dọc.

Lý do cho hiện tượng này bởi vì chiều dày lớp bê tông bảo vệ của cốt đai thường khá nhỏ, gia tăng

khả năng thâm nhập của ion clorua với nồng độ cao vào trong cấu kiện. Hơn nữa, khi tiếp xúc cùng với một cường độ dòng điện trong thí nghiệm ăn mòn điện hóa, mức độ ăn mòn cốt đai nghiêm trọng hơn so với cốt dọc xuất phát từ sự chênh lệch đường kính của hai loại cốt thép.

70

Bảng 1. Các tính chất cơ học của cốt thép sử dụng

Loại cốt thép Đường kính (mm) Cường độ chảy (MPa) Cường độ bền (MPa) Mô đun đàn hồi (GPa)

Cốt thép dọc 10 333,2 477,9 184

Cốt thép đai 6 421,1 553,9 205

Bảng 2. Mức độ ăn mòn cốt thép trong các mẫu cột thử nghiệm

Cột thử nghiệm Mức độ ăn mòn (%)

Cốt thép đai Cốt thép dọc

LC-0-5 7,6 3,7

LC-0-10 12,7 5,0

LC-0-20 23,2 8,6

3.2. Xác định kích thước và độ nhạy của lưới trong mô hình số

Trong nghiên cứu này, sự xem xét kích thước và độ nhạy của lưới trong mô phỏng số đã được thực hiện. Nghiên cứu của Maekawa và cs. [30] chỉ ra rằng mô hình độ cứng kéo được sử dụng cho bê tông không phụ thuộc vào kích thước phần tử và lưới. Cần lưu ý rằng do vật liệu bê tông không đồng nhất, kích thước lưới được sử dụng là 20 mm dựa vào kích thước lớn nhất của hạt cốt liệu thô. Do đó, kích thước lưới trong phân tích ba chiều có thể tương đối lớn nhằm giảm thời gian phân tích mà vẫn không ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả [31].

3.3. Mô hình hóa cột BTCT

Bê tông được mô hình hóa bằng phần tử lục giác đặc 20 nút có kích thước là 20×20×20 mm như minh họa trong Hình 2(d). Cường độ chịu nén của bê tông đối chứng được khai báo là 29,47 MPa tương ứng với giá trị thu được từ thí nghiệm nén trên mẫu thử hình lập phương kích thước là 150×150×150mm. Trong khi đó, cường độ chịu nén suy giảm của bê tông tại các vùng ăn mòn được tính bằng công thức (2) với giá trị giảm từ 29,47 xuống 20 MPa tương ứng với mức độ ăn mòn của cốt thép dọc và cốt đai tăng từ 5% lên 20%. Bởi vì cường độ chịu kéo của bê tông không được cung cấp trong nghiên cứu thực nghiệm [1], do đó giá trị của nó khi mô phỏng được tính toán dựa trên cường độ chịu nén theo kiến nghị bởi tiêu chuẩn CEB-FIP Mode [25]. Trong nghiên cứu này, cường độ chịu kéo của bê tông bị xuống cấp do ăn mòn được lấy bằng 2,56 MPa cho tất cả các trường hợp.

Cuối cùng, mô đun đàn hồi của bê tông đối chứng và bê tông bị xuống cấp do ăn mòn trình bày trong Bảng3được tính toán dựa trên cường độ chịu nén sử dụng công thức được đề xuất trong tiêu chuẩn CEB-FIP model [25].

Trong phần mềm DIANA FEA, cốt thép được mô hình hóa bằng phần tử cốt thép dính – trượt có sẵn. Phần tử liên kết thanh và khối được sử dụng để mô phỏng ứng xử bám dính – trượt giữa bê tông và cốt thép vì nó liên kết các phần tử thanh cốt thép trượt với phần tử liên tục bao quanh. Cường độ chảy và cường độ kéo giới hạn của thép được sử dụng cũng được trình bày trong Bảng 3. Trong mô phỏng số, ảnh hưởng của ăn mòn tới cốt thép được mô hình hóa bằng cách giảm tiết diện của các cốt thép dọc và cốt đai dựa trên mức độ ăn mòn của chúng. Đối với dầm không bị ăn mòn, cường độ bám dính và các thông số được xác định dựa theo tiêu chuẩn CEB-FIP model [25], ví dụ như trường hợp cấu kiện không bị ăn mòn thì cường độ bám dính lớn nhấtτ_max = 13,69 MPa, cường độ bám dính suy giảmτf = 5,4 MPa, độ trượtS₁ = S₂ = 0,6 mm và S₃ = 2,5 mm, và hệ số mũα= 0,4. Đối

71

với cốt thép dọc bị ăn mòn, để mô hình hóa sự phá hoại phân tách của cột BTCT có kể đến hiệu ứng bó, chuyển vị trượtS₁lấy gần bằngS₂và ứng suất sau khi đạt cường độ bám dính có xu hướng giảm nhanh và dốc đứng, giá trị củaS₃giảm và coiτf gần bằng không. Đồ thị bám dính suy giảm được sử dụng như minh họa trong Hình2(c) với các giá trị về cường độ bám dính, cường độ bám dính suy giảm được tính bằng công thức (9) như được trình bày trong Bảng3.

Bảng 3. Các tính chất cơ học của vật liệu sử dụng trong mô hình cột BTCT

Chỉ tiêu cơ lý Tên cấu kiện

LC-0-0 LC-0-5 LC-0-10 LC-0-20

Cường độ chịu nén của bê tông (MPa) 29,47 26 22 20

Cường độ chịu kéo của bê tông (MPa) 2,56 2,56 2,56 2,56

Mô đun đàn hồi của bê tông (MPa) 34000 32400 30800 30000

Cường độ chảy của cốt thép (MPa) D10 333,2 333,2 333,2 333,2

D6 421,1 421,1 421,1 421,1

Cường độ bền của cốt thép (MPa) D10 477,9 477,9 477,9 477,9

D6 553,9 553,9 553,9 553,9

Mô đun đàn hồi của thép (GPa) D10 184 184 184 184

D6 205 205 205 205

Ứng suất bám dính (MPa) 13,69 12,74 11,72 11,18

3.4. Biểu đồ tải trọng - chuyển vị

Hình4(a-d) cho ta thấy sự so sánh giữa biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột thu được từ thực nghiệm và phân tích số bởi DIANA FEA. Kết quả của mô phỏng số cho ta thấy được sự tương đồng với kết quả của thực nghiệm về độ cứng ban đầu, khả năng chịu lực và trạng thái giới hạn (xem Bảng4). Đối với trường hợp mẫu cột không bị ăn mòn, kết quả đã cho thấy sự tương đồng về độ cứng ban đầu của cột và khả năng chịu lực với sai số tương đối nhỏ (dưới 5%). Tương tự với kết quả thu được với các mẫu cột còn lại, trong trường hợp độ ăn mòn 5% và 10%, sai số tính toán ra được là dưới 8,11%. Tuy nhiên mô hình số cho ra kết quả về khả năng chịu lực cao hơn thí nghiệm với mức độ ăn mòn là 20%. Điều này được lí giải bởi vì với mức độ ăn mòn lớn, ăn mòn cục bộ xuất hiện nhiều hơn khi cột tiếp xúc lâu hơn với quá trình ăn mòn gia tốc. Sự hạn chế của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc mô hình hóa sự ăn mòn cục bộ do giới hạn của kích thước lưới cũng như sự hạn chế của dữ liệu cung cấp từ thực nghiệm.

Theo phân tích số, sự phá hủy của các mẫu cột thí nghiệm LC-0-0, LC-0-5, và LC-0-10 xảy ra khi ứng suất trong các cốt thép dọc ở biên của tải trọng lệch tâm tăng dần, kèm theo là các vết nứt hình thành trong vùng chịu kéo. Với độ lệch tâm lớn (e= 0,83h), khi tăng tải trọng tác dụng, vết nứt không phát triển nhiều trên vùng bê tông chịu nén mà hình thành thêm các vết nứt nghiêng 45^◦ ở đầu cột, đánh dấu cho sự phá hoại giòn. Độ lệch tâm dẫn đến sự xuất hiện của mô men uốn gây ra ứng suất kéo cao ở mặt đối diện với vị trí tải trọng tác dụng. Cột tiếp tục chịu tải tốt cho đến giai đoạn trước khi bị hư hỏng hoàn toàn với các vết nứt nghiêng 45^◦ở đầu cột. Hiện tượng phá hoại xuất hiện ở gần hai đầu cột khi bê tông nứt vỡ. Mặt khác, với sự gia tăng mức độ ăn mòn cốt thép (8,6% đối với cốt thép dọc

72

Nam, B. H., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

10

năng chịu lực và trạng thái giới hạn (xem Bảng 4). Đối với trường hợp mẫu cột không bị ăn mòn, kết quả đã cho thấy sự tương đồng về độ cứng ban đầu của cột và khả năng chịu lực với sai số tương đối nhỏ (dưới 5%). Tương tự với kết quả thu được với các mẫu cột còn lại, trong trường hợp độ ăn mòn 5% và 10%, sai số tính toán ra được là dưới 8,11%.

Tuy nhiên mô hình số cho ra kết quả về khả năng chịu lực cao hơn thí nghiệm với mức độ ăn mòn là 20%. Điều này được lí giải bởi vì với mức độ ăn mòn lớn, ăn mòn cục bộ xuất hiện nhiều hơn khi cột tiếp xúc lâu hơn với quá trình ăn mòn gia tốc. Sự hạn chế của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc mô hình hóa sự ăn mòn cục bộ do giới hạn của kích thước lưới cũng như sự hạn chế của dữ liệu cung cấp từ thực nghiệm.

Theo phân tích số, sự phá hủy của các mẫu cột thí nghiệm LC-0-0, LC-0-5, và LC-

0-10 xảy ra khi ứng suất trong các cốt thép dọc ở biên của tải trọng lệch tâm tăng dần,

kèm theo là các vết nứt hình thành trong vùng chịu kéo. Với độ lệch tâm lớn (e = 0,83h),

khi tăng tải trọng tác dụng, vết nứt không phát triển nhiều trên vùng bê tông chịu nén mà

hình thành thêm các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột, đánh dấu cho sự phá hoại giòn. Độ

lệch tâm dẫn đến sự xuất hiện của mômen uốn gây ra ứng suất kéo cao ở mặt đối diện với vị trí tải trọng tác dụng. Cột tiếp tục chịu tải tốt cho đến giai đoạn trước khi bị hư hỏng

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5

(c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột bởi thực nghiệm và mô phỏng

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm) LC-0-0-Test LC-0-0-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm) LC-0-5-Test LC-0-5-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm)

LC-0-10-Test LC-0-10-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

LC-0-20-Test LC-0-20-FEM (a) Cột LC-0-0

10

năng chịu lực và trạng thái giới hạn (xem Bảng 4). Đối với trường hợp mẫu cột không bị ăn mòn, kết quả đã cho thấy sự tương đồng về độ cứng ban đầu của cột và khả năng chịu lực với sai số tương đối nhỏ (dưới 5%). Tương tự với kết quả thu được với các mẫu cột còn lại, trong trường hợp độ ăn mòn 5% và 10%, sai số tính toán ra được là dưới 8,11%.

Tuy nhiên mô hình số cho ra kết quả về khả năng chịu lực cao hơn thí nghiệm với mức độ ăn mòn là 20%. Điều này được lí giải bởi vì với mức độ ăn mòn lớn, ăn mòn cục bộ xuất hiện nhiều hơn khi cột tiếp xúc lâu hơn với quá trình ăn mòn gia tốc. Sự hạn chế của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc mô hình hóa sự ăn mòn cục bộ do giới hạn của kích thước lưới cũng như sự hạn chế của dữ liệu cung cấp từ thực nghiệm.

Theo phân tích số, sự phá hủy của các mẫu cột thí nghiệm LC-0-0, LC-0-5, và LC-

0-10 xảy ra khi ứng suất trong các cốt thép dọc ở biên của tải trọng lệch tâm tăng dần,

kèm theo là các vết nứt hình thành trong vùng chịu kéo. Với độ lệch tâm lớn (e = 0,83h),

khi tăng tải trọng tác dụng, vết nứt không phát triển nhiều trên vùng bê tông chịu nén mà

hình thành thêm các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột,

đánh dấu cho sự phá hoại giòn. Độ lệch tâm dẫn đến sự xuất hiện của mômen uốn gây ra ứng suất kéo cao ở mặt đối diện với vị trí tải trọng tác dụng. Cột tiếp tục chịu tải tốt cho đến giai đoạn trước khi bị hư hỏng

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5

(c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột bởi thực nghiệm và mô phỏng

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

LC-0-0-Test LC-0-0-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm) LC-0-5-Test LC-0-5-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm)

LC-0-10-Test LC-0-10-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

LC-0-20-Test LC-0-20-FEM (b) Cột LC-0-5

10

năng chịu lực và trạng thái giới hạn (xem Bảng 4). Đối với trường hợp mẫu cột không bị ăn mòn, kết quả đã cho thấy sự tương đồng về độ cứng ban đầu của cột và khả năng chịu lực với sai số tương đối nhỏ (dưới 5%). Tương tự với kết quả thu được với các mẫu cột còn lại, trong trường hợp độ ăn mòn 5% và 10%, sai số tính toán ra được là dưới 8,11%.

Tuy nhiên mô hình số cho ra kết quả về khả năng chịu lực cao hơn thí nghiệm với mức độ ăn mòn là 20%. Điều này được lí giải bởi vì với mức độ ăn mòn lớn, ăn mòn cục bộ xuất hiện nhiều hơn khi cột tiếp xúc lâu hơn với quá trình ăn mòn gia tốc. Sự hạn chế của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc mô hình hóa sự ăn mòn cục bộ do giới hạn của kích thước lưới cũng như sự hạn chế của dữ liệu cung cấp từ thực nghiệm.

Theo phân tích số, sự phá hủy của các mẫu cột thí nghiệm LC-0-0, LC-0-5, và LC-

0-10 xảy ra khi ứng suất trong các cốt thép dọc ở biên của tải trọng lệch tâm tăng dần,

kèm theo là các vết nứt hình thành trong vùng chịu kéo. Với độ lệch tâm lớn (e = 0,83h),

khi tăng tải trọng tác dụng, vết nứt không phát triển nhiều trên vùng bê tông chịu nén mà

hình thành thêm các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột,

đánh dấu cho sự phá hoại giòn. Độ lệch tâm dẫn đến sự xuất hiện của mômen uốn gây ra ứng suất kéo cao ở mặt đối diện với vị trí tải trọng tác dụng. Cột tiếp tục chịu tải tốt cho đến giai đoạn trước khi bị hư hỏng

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5

(c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột bởi thực nghiệm và mô phỏng

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm) LC-0-0-Test LC-0-0-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm) LC-0-5-Test LC-0-5-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm)

LC-0-10-Test LC-0-10-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

LC-0-20-Test LC-0-20-FEM

(c) Cột LC-0-10

10

năng chịu lực và trạng thái giới hạn (xem Bảng 4). Đối với trường hợp mẫu cột không bị ăn mòn, kết quả đã cho thấy sự tương đồng về độ cứng ban đầu của cột và khả năng chịu lực với sai số tương đối nhỏ (dưới 5%). Tương tự với kết quả thu được với các mẫu cột còn lại, trong trường hợp độ ăn mòn 5% và 10%, sai số tính toán ra được là dưới 8,11%.

Tuy nhiên mô hình số cho ra kết quả về khả năng chịu lực cao hơn thí nghiệm với mức độ ăn mòn là 20%. Điều này được lí giải bởi vì với mức độ ăn mòn lớn, ăn mòn cục bộ xuất hiện nhiều hơn khi cột tiếp xúc lâu hơn với quá trình ăn mòn gia tốc. Sự hạn chế của mô phỏng phần tử hữu hạn trong việc mô hình hóa sự ăn mòn cục bộ do giới hạn của kích thước lưới cũng như sự hạn chế của dữ liệu cung cấp từ thực nghiệm.

Theo phân tích số, sự phá hủy của các mẫu cột thí nghiệm LC-0-0, LC-0-5, và LC-

0-10 xảy ra khi ứng suất trong các cốt thép dọc ở biên của tải trọng lệch tâm tăng dần,

kèm theo là các vết nứt hình thành trong vùng chịu kéo. Với độ lệch tâm lớn (e = 0,83h),

khi tăng tải trọng tác dụng, vết nứt không phát triển nhiều trên vùng bê tông chịu nén mà

hình thành thêm các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột,

đánh dấu cho sự phá hoại giòn. Độ lệch tâm dẫn đến sự xuất hiện của mômen uốn gây ra ứng suất kéo cao ở mặt đối diện với vị trí tải trọng tác dụng. Cột tiếp tục chịu tải tốt cho đến giai đoạn trước khi bị hư hỏng

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5

(c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột bởi thực nghiệm và mô phỏng

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm) LC-0-0-Test LC-0-0-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm) LC-0-5-Test LC-0-5-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang(mm)

LC-0-10-Test LC-0-10-FEM

0 20 40 60 80 100

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

LC-0-20-Test LC-0-20-FEM

(d) Cột LC-0-20

Hình 4. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị của các mẫu cột bởi thực nghiệm và mô phỏng Bảng 4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Tên cấu kiện Tải trọng phá hoại (kN)

Mô phỏng Thực nghiệm Chênh lệch

LC-0-0 87,6 92 4,78%

LC-0-5 80,0 74 8,11%

LC-0-10 63,7 64 0,46%

LC-0-20 54,7 48 13,95%

và 23,2% đối với cốt thép đai), cơ chế phá hoại của cột LC-0-20 dần chuyển sang dạng phá hoại dẻo.

Đặc trưng của loại phá hoại này xuất phát từ sự chảy dẻo của cốt thép dọc trước khi bê tông ở đầu cột bị phá hoại do độ lệch tâm tương đối lớn. Ứng xử kết cấu thu được từ các mẫu cột trong phân tích số của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả thực nghiệm thông qua các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và hình dạng vết nứt của cột mô phỏng ở trạng thái phá hủy như minh họa trên Hình5.

73

Nam, B. H., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

11

hoàn toàn với các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột. Hiện tượng phá hoại xuất hiện ở gần hai

đầu cột khi bê tông nứt vỡ. Mặt khác, với sự gia tăng mức độ ăn mòn cốt thép (8,6% đối với cốt thép dọc và 23,2% đối với cốt thép đai), cơ chế phá hoại của cột LC-0-20 dần chuyển sang dạng phá hoại dẻo. Đặc trưng của loại phá hoại này xuất phát từ sự chảy dẻo của cốt thép dọc trước

khi bê tông ở đầu cột bị phá hoại do độ lệch tâm tương đối lớn.

Ứng xử kết cấu thu được từ các mẫu cột trong phân tích số của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả thực nghiệm thông qua các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và hình dạng vết nứt của cột mô phỏng ở trạng thái phá hủy như minh họa trên Hình 5.

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5 (c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 5. Dạng phá hoại của các mẫu cột mô hình

Bảng 4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Tên cấu kiện Tải trọng phá hoại (kN)

Mô phỏng Thực nghiệm Chênh lệch

LC-0-0 87,6 92 4,78%

LC-0-5 80,0 74 8,11%

LC-0-10 63,7 64 0,46%

LC-0-20 54,7 48 13,95%

4. Nghiên cứu tham số

Trong phần này, các mẫu cột mô hình có cùng thông số hình học và tính chất vật liệu giống như mẫu cột ăn mòn LC-0-10 trong nghiên cứu thực nghiệm của Li và cộng sự (2020) [1]. Để kiểm chứng độ chính xác và khả năng đánh giá ứng xử cơ học của các cột ăn mòn khác nhau, hai tham số đã được khảo sát, đó là độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai. Khi một tham số được khảo sát, các tham số còn lại được khai báo

(a) Cột LC-0-0

11

hoàn toàn với các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột. Hiện tượng phá hoại xuất hiện ở gần hai

đầu cột khi bê tông nứt vỡ. Mặt khác, với sự gia tăng mức độ ăn mòn cốt thép (8,6% đối với cốt thép dọc và 23,2% đối với cốt thép đai), cơ chế phá hoại của cột LC-0-20 dần chuyển sang dạng phá hoại dẻo. Đặc trưng của loại phá hoại này xuất phát từ sự chảy dẻo của cốt thép dọc trước khi bê tông ở đầu cột bị phá hoại do độ lệch tâm tương đối lớn.

Ứng xử kết cấu thu được từ các mẫu cột trong phân tích số của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả thực nghiệm thông qua các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và hình dạng vết nứt của cột mô phỏng ở trạng thái phá hủy như minh họa trên Hình 5.

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5 (c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 5. Dạng phá hoại của các mẫu cột mô hình

Bảng 4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Tên cấu kiện Tải trọng phá hoại (kN)

Mô phỏng Thực nghiệm Chênh lệch

LC-0-0 87,6 92 4,78%

LC-0-5 80,0 74 8,11%

LC-0-10 63,7 64 0,46%

LC-0-20 54,7 48 13,95%

4. Nghiên cứu tham số

Trong phần này, các mẫu cột mô hình có cùng thông số hình học và tính chất vật liệu giống như mẫu cột ăn mòn LC-0-10 trong nghiên cứu thực nghiệm của Li và cộng sự (2020) [1]. Để kiểm chứng độ chính xác và khả năng đánh giá ứng xử cơ học của các cột ăn mòn khác nhau, hai tham số đã được khảo sát, đó là độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai. Khi một tham số được khảo sát, các tham số còn lại được khai báo

(b) Cột LC-0-5

11

hoàn toàn với các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột. Hiện tượng phá hoại xuất hiện ở gần hai

đầu cột khi bê tông nứt vỡ. Mặt khác, với sự gia tăng mức độ ăn mòn cốt thép (8,6% đối với cốt thép dọc và 23,2% đối với cốt thép đai), cơ chế phá hoại của cột LC-0-20 dần chuyển sang dạng phá hoại dẻo. Đặc trưng của loại phá hoại này xuất phát từ sự chảy dẻo của cốt thép dọc trước

khi bê tông ở đầu cột bị phá hoại do độ lệch tâm tương đối lớn.

Ứng xử kết cấu thu được từ các mẫu cột trong phân tích số của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả thực nghiệm thông qua các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và hình dạng vết nứt của cột mô phỏng ở trạng thái phá hủy như minh họa trên Hình 5.

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5 (c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 5. Dạng phá hoại của các mẫu cột mô hình

Bảng 4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Tên cấu kiện Tải trọng phá hoại (kN)

Mô phỏng Thực nghiệm Chênh lệch

LC-0-0 87,6 92 4,78%

LC-0-5 80,0 74 8,11%

LC-0-10 63,7 64 0,46%

LC-0-20 54,7 48 13,95%

4. Nghiên cứu tham số

Trong phần này, các mẫu cột mô hình có cùng thông số hình học và tính chất vật liệu giống như mẫu cột ăn mòn LC-0-10 trong nghiên cứu thực nghiệm của Li và cộng sự (2020) [1]. Để kiểm chứng độ chính xác và khả năng đánh giá ứng xử cơ học của các cột ăn mòn khác nhau, hai tham số đã được khảo sát, đó là độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai. Khi một tham số được khảo sát, các tham số còn lại được khai báo

(c) Cột LC-0-10

Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

11

hoàn toàn với các vết nứt nghiêng 45

^o ở đầu cột. Hiện tượng phá hoại xuất hiện ở gần hai

đầu cột khi bê tông nứt vỡ. Mặt khác, với sự gia tăng mức độ ăn mòn cốt thép (8,6% đối với cốt thép dọc và 23,2% đối với cốt thép đai), cơ chế phá hoại của cột LC-0-20 dần chuyển sang dạng phá hoại dẻo. Đặc trưng của loại phá hoại này xuất phát từ sự chảy dẻo của cốt thép dọc trước khi bê tông ở đầu cột bị phá hoại do độ lệch tâm tương đối lớn.

Ứng xử kết cấu thu được từ các mẫu cột trong phân tích số của nghiên cứu này phù hợp với các kết quả thực nghiệm thông qua các biểu đồ quan hệ tải trọng - chuyển vị và hình dạng vết nứt của cột mô phỏng ở trạng thái phá hủy như minh họa trên Hình 5.

(a) Cột LC-0-0 (b) Cột LC-0-5 (c) Cột LC-0-10 (d) Cột LC-0-20

Hình 5. Dạng phá hoại của các mẫu cột mô hình

Bảng 4. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

Tên cấu kiện Tải trọng phá hoại (kN)

Mô phỏng Thực nghiệm Chênh lệch

LC-0-0 87,6 92 4,78%

LC-0-5 80,0 74 8,11%

LC-0-10 63,7 64 0,46%

LC-0-20 54,7 48 13,95%

4. Nghiên cứu tham số

Trong phần này, các mẫu cột mô hình có cùng thông số hình học và tính chất vật liệu giống như mẫu cột ăn mòn LC-0-10 trong nghiên cứu thực nghiệm của Li và cộng sự (2020) [1]. Để kiểm chứng độ chính xác và khả năng đánh giá ứng xử cơ học của các cột ăn mòn khác nhau, hai tham số đã được khảo sát, đó là độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai. Khi một tham số được khảo sát, các tham số còn lại được khai báo

(d) Cột LC-0-20

Hình 5. Dạng phá hoại của các mẫu cột mô hình

4. Nghiên cứu tham số

Trong phần này, các mẫu cột mô hình có cùng thông số hình học và tính chất vật liệu giống như mẫu cột ăn mòn LC-0-10 trong nghiên cứu thực nghiệm của Li và cs. (2020) [1]. Để kiểm chứng độ chính xác và khả năng đánh giá ứng xử cơ học của các cột ăn mòn khác nhau, hai tham số đã được khảo sát, đó là độ lệch tâm và khoảng cách giữa các cốt thép đai. Khi một tham số được khảo sát, các tham số còn lại được khai báo giống như cột ăn mòn LC-0-10 (xem mục 3.1). Bảng5giới thiệu các thông số về độ lệch tâm ethay đổi trong khoảng 0 – 1h và khoảng cách cốt thép đai thay đổi trong khoảng 100 – 300 mm được sử dụng trong nghiên cứu tham số.

Bảng 5. Tham số độ lệch tâm và khoảng cách cốt thép đai

Tham số

Ký hiệu cột

C10-0-100 C10-0.5-100 C10-1-100 LC-0-10-FEM C10-0.83-200 C10-0.83-300

Độ lệch tâm (e) 0 0,5h 1h 0,83h 0,83h 0,83h

Khoảng cách cốt đai (mm) 100 100 100 100 200 300

4.1. Ảnh hưởng của độ lệch tâm

Hình6giới thiệu các biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được trong nghiên cứu số cho các cột mô hình ký hiệu là C10-0-100, C10-0.5-100, LC-0-10-FEM và C10-1-100 tương ứng với các độ lệch tâm elần lượt là 0, 0,5h, 0,83hvà 1hvới chiều cao cộth= 120 mm và có cùng khoảng cách 100 mm giữa các cốt thép đai ở bụng cột. Những kết quả thu được chỉ ra rằng độ lệch tâm có vai trò quan trọng đối với khả năng chịu lực và độ cứng của cột ăn mòn. Khi tăng độ lệch tâm thì tải trọng giới hạn của cột ăn mòn bị giảm rõ rệt. Tương tự, quan sát trên Hình6nhận thấy rằng độ dốc của các biểu đồ giảm

74

Nam, B. H., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

mạnh khi tăng độ lệch tâm của cột. Độ cứng của cột bị giảm khi tăng độ lệch tâm. Do đó, tải trọng nén lớn nhất của cột chịu nén đúng tâm lớn hơn từ 2,85 đến 6 lần so với các mẫu cột ăn mòn chịu nén lệch tâm (209,6 kN trên cột đối chứng C10-0-100 so với 28,2 – 93,0 kN trên các cột ăn mòn C10-0.5-100, LC-0-10-FEM và C10-1-100).

12

giống như cột ăn mòn LC-0-10 (xem mục 3.1). Bảng 5 giới thiệu các thông số về độ lệch

tâm e thay đổi trong khoảng 0 – 1h và khoảng cách cốt thép đai thay đổi trong khoảng 100 – 300 mm được sử dụng trong nghiên cứu tham số.

Bảng 5. Tham số độ lệch tâm và khoảng cách cốt thép đai

Tham số Ký hiệu cột

C10-0- 100

C10-0.5- 100

C10-1- 100

LC-0-10- FEM

C10- 0.83-200

C10- 0.83-300

Độ lệch tâm (e) 0 0,5h 1h 0,83h 0,83h 0,83h

Khoảng cách cốt đai (mm)

100 100 100 100 200 300

4.1. Ảnh hưởng của độ lệch tâm

Hình 6 giới thiệu các biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được trong nghiên cứu số

cho các cột mô hình ký hiệu là C10-0-100, C10-0.5-100, LC-0-10-FEM và C10-1-100 tương ứng với các độ lệch tâm e lần lượt là 0, 0,5h, 0,83h và 1h với chiều cao cột h = 120

mm

và có cùng khoảng cách 100 mm giữa các cốt thép đai ở bụng cột. Những kết quả thu được chỉ ra rằng độ lệch tâm có vai trò quan trọng đối với khả năng chịu lực và độ cứng của cột ăn mòn. Khi tăng độ lệch tâm thì tải trọng giới hạn của cột ăn mòn bị giảm

rõ rệt. Tương tự, quan sát trên Hình 6 nhận thấy rằng độ dốc của các biểu đồ giảm mạnh

khi tăng độ lệch tâm của cột. Độ cứng của cột bị giảm khi tăng độ lệch tâm. Do đó, tải trọng nén lớn nhất của cột chịu nén đúng tâm lớn hơn từ 2,85 đến 6 lần so với các mẫu cột ăn mòn chịu nén lệch tâm (209,6 kN trên cột đối chứng C10-0-100 so với 28,2 – 93,0 kN trên các cột ăn mòn C10-0.5-100, LC-0-10-FEM và C10-1-100).

Hình 6. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị ngang với độ lệch tâm thay đổi

Hơn nữa, nghiên cứu số cũng cho phép thu được sự phân bố vết nứt trên các mẫu cột ở trạng thái phá hoại như minh họa trên Hình 7. Nhìn chung, trạng thái và dạng phá hoại của cột chịu nén đúng tâm (cột C10-0-100) hầu như không có sự xuất hiện các vết

0 50 100 150 200 250

0 2 4 6 8 10

Tải trọng (kN)

Chuyển vị ngang (mm)

C10-0-100 C10-0.5-100 LC-0-10-FEM C10-1-100

Hình 6. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị ngang với độ lệch tâm thay đổi

Hơn nữa, nghiên cứu số cũng cho phép thu được sự phân bố vết nứt trên các mẫu cột ở trạng thái phá hoại như minh họa trên Hình7. Nhìn chung, trạng thái và dạng phá hoại của cột chịu nén đúng tâm (cột C10-0-100) hầu như không có sự xuất hiện các vết nứt cũng như độ võng đáng kể trước khi xảy ra phá hoại (nghĩa là sự phá hoại xảy ra mà không có dấu hiệu cảnh báo). Đối với cột chịu nén với độ lệch tâm nhỏe= 0,5h(cột C10-0.5-100) cơ chế phá hoại đặc trưng bởi sự phá hoại của bê tông

Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

13

nứt cũng như độ võng đáng kể trước khi xảy ra phá hoại (nghĩa là sự phá hoại xảy ra mà không có dấu hiệu cảnh báo). Đối với cột chịu nén với độ lệch tâm nhỏ e = 0,5h (cột C10- 0.5-100) cơ chế phá hoại đặc trưng bởi sự phá hoại của bê tông trong vùng nén của cột khi chuyển vị ngang đạt đến giá trị giới hạn, kèm với đó là sự xuất hiện các vết nứt lan truyền từ phía vùng kéo của cột. Trong khi đó, cột chịu nén với độ lệch tâm lớn e = 1h (cột C10-1-100) có cơ chế phá hoại tương tự như cột có độ lệch tâm e = 0,83h (LC-0-10- FEM), đặc trưng bởi sự hình thành các vết nứt nghiêng góc 45^o ở hai đầu cột.

(a) Cột C10-0-100 (b) Cột C10-0.5-100 (c) Cột C10-1-100 Hình 7. Sơ đồ nứt của các cột ăn mòn mô hình ở trạng thái phá hoại

4.2. Ảnh hưởng của khoảng cách cốt thép đai

Trong phần này, ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cốt thép đai đến tải trọng nén lớn nhất gây phá hoại cột đã được khảo sát đối với các cột mô hình ký hiệu là LC-0-10- FEM, C10-0.83-200 và C10-0.83-300 với khoảng cách giữa các cốt thép đai ở bụng cột tương ứng lần lượt là 100, 200 và 300 mm (không có cốt thép đai ở bụng cột). Hình 8 giới thiệu các biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ nghiên cứu số đối với các mẫu cột mô hình này. Những kết quả chỉ ra rằng, khi tăng khoảng cách cốt thép đai trong các mẫu cột mô hình thì khả năng chịu lực bị giảm khoảng 22,1 – 25,1%, giảm từ 63,7 kN xuống 47,4 kN. Như vậy, có thể nhận thấy rằng ảnh hưởng của khoảng cách cốt thép đai ở bụng cột đến khả năng chịu lực của cột ăn mòn là ít hơn so với ảnh hưởng của độ lệch tâm.

(a) Cột C10-0-100

Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

13

nứt cũng như độ võng đáng kể trước khi xảy ra phá hoại (nghĩa là sự phá hoại xảy ra mà không có dấu hiệu cảnh báo). Đối với cột chịu nén với độ lệch tâm nhỏ e = 0,5h (cột C10- 0.5-100) cơ chế phá hoại đặc trưng bởi sự phá hoại của bê tông trong vùng nén của cột khi chuyển vị ngang đạt đến giá trị giới hạn, kèm với đó là sự xuất hiện các vết nứt lan truyền từ phía vùng kéo của cột. Trong khi đó, cột chịu nén với độ lệch tâm lớn e = 1h (cột C10-1-100) có cơ chế phá hoại tương tự như cột có độ lệch tâm e = 0,83h (LC-0-10- FEM), đặc trưng bởi sự hình thành các vết nứt nghiêng góc 45^o ở hai đầu cột.

(a) Cột C10-0-100 (b) Cột C10-0.5-100 (c) Cột C10-1-100 Hình 7. Sơ đồ nứt của các cột ăn mòn mô hình ở trạng thái phá hoại

4.2. Ảnh hưởng của khoảng cách cốt thép đai

Trong phần này, ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cốt thép đai đến tải trọng nén lớn nhất gây phá hoại cột đã được khảo sát đối với các cột mô hình ký hiệu là LC-0-10- FEM, C10-0.83-200 và C10-0.83-300 với khoảng cách giữa các cốt thép đai ở bụng cột tương ứng lần lượt là 100, 200 và 300 mm (không có cốt thép đai ở bụng cột). Hình 8 giới thiệu các biểu đồ tải trọng – chuyển vị thu được từ nghiên cứu số đối với các mẫu cột mô hình này. Những kết quả chỉ ra rằng, khi tăng khoảng cách cốt thép đai trong các mẫu cột mô hình thì khả năng chịu lực bị giảm khoảng 22,1 – 25,1%, giảm từ 63,7 kN xuống 47,4 kN. Như vậy, có thể nhận thấy rằng ảnh hưởng của khoảng cách cốt thép đai ở bụng cột đến khả năng chịu lực của cột ăn mòn là ít hơn so với ảnh hưởng của độ lệch tâm.

(b) Cột C10-0.5-100

Journal of Science and Technology in Civil Engineering NUCE 2021

13

nứt cũng như đ�