Đánh giá sự phá hủy cấu kiện bê tông cốt thép dưới tác dụng tải trọng nổ tiếp xúc bằng mô phỏng số và thực nghiệm tại hiện trường

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2020. 14 (5V): 180–196

ĐÁNH GIÁ SỰ PHÁ HỦY CẤU KIỆN BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI
TÁC DỤNG TẢI TRỌNG NỔ TIẾP XÚC BẰNG MÔ PHỎNG SỐ VÀ
THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG
Phan Thành Trunga,∗, Nguyễn Quốc Bảob , Vũ Đức Hiếua
a

Viện Kỹ thuật Công trình đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự,
số 236 đường Hoàng Quốc Việt, quận Bắc từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam
b
Khoa Công trình, Đại học Công nghệ Giao thông vận tải,
số 54 đường Triều Khúc, quận Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 09/10/2020, Sửa xong 02/11/2020, Chấp nhận đăng 03/11/2020
Tóm tắt
Đánh giá tác động và phá hủy của lượng nổ tiếp xúc với các cấu kiện là bài toán rất phức tạp và có sai số lớn.
Ở Việt nam, tính toán này hiện nay chủ yếu sử dụng một số công thức thực nghiệm tham khảo đã có. Kết quả
thực nghiệm chỉ phù hợp trong phạm vi thực nghiệm đề ra và còn có nhiều sai lệch đáng kể so với thực tế tại
hiện trường. Bài báo tập trung vào nghiên cứu và đánh giá sự phá hủy của tải trọng nổ tiếp xúc đối với bê tông
cốt thép theo phương pháp thực nghiệm tại hiện trường và mô phỏng số. Để phục vụ mô phỏng số, tác giả đã
lựa chọn mô hình vật liệu phù hợp với bài toán nổ và tiến hành thực nghiệm để xác định các tham số trên. Kết
quả so sánh nhằm đánh giá mức độ tin cậy của mô phỏng, lựa chọn mô hình tính và mô hình vật liệu trong mô
phỏng kết cấu chịu tác dụng của tải trọng nổ bằng phần mềm ABAQUS.
Từ khoá: nổ tiếp xúc; phá hủy bê tông cốt thép; phân tích động tường minh theo thời gian; mô hình Holmquist
- Johnson - Cook; mô hình Johnson - Cook.
ASSES THE FRACTURE RESPONSE OF REINFORCED CONCRETE COMPONENTS UNDER CONTACT BLAST LOADING USING THE SIMULATION AND ON SITE TESTING METHOD
Abstract
Evaluation of and fracture failure of contact blast loading on structural components is normally a complicated
issue with errors. In Vietnam, the problem has been solved by applied some empirical models in the literature.
However, the experimental results are only suitable for each case study and still have significant deviations in
comparison with reality. The paper aim to assess the fracture failure mode of reinforced concrete components

under contact blast loading using both on site experiment and numerical simulation. Based on the results, the
selection of computational models, constitutive laws of the material in the simulation of the structure under the
impact of blast loading in the ABAQUS program has been evaluated.
Keywords: contact blast loading; demolition of reinforced concrete; explicit time integration; Holmquist - Johnson - Cook model; Johnson - Cook model.
© 2020 Trường Đại học Xây dựng (NUCE)

1. Giới thiệu
Khi tính toán cấu kiện bê tông cốt thép chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc, phương pháp phân
tích động tường minh theo thời gian (explicit time integration) [1] sẽ mô tả cơ hệ một cách sát thực
nhất. Phương pháp này mô phỏng đầy đủ quá trình vật lý nổ, lan truyền sóng nổ trong môi trường và
∗

Tác giả đại diện. Địa chỉ e-mail: (Trung, P. T.)

180


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

tương tác của sóng nổ với kết cấu. Quá trình tính toán bắt đầu từ tâm vụ nổ, năng lượng lan truyền qua
các phần tử môi trường theo bước thời gian và tác dụng vào công trình. Giải quyết bài toán tương tác
này thực chất là giải quyết hệ bài toán vi phân đạo hàm riêng cực kỳ phức tạp, trong đó các phương
trình phải mô tả được các quan hệ vật lý, các định luật bảo toàn, thỏa mãn các điều kiện biên ban đầu
theo cả trường không gian và thời gian.
Những phương trình trên phải được giải quyết đồng thời trong mọi thời điểm, phương pháp phân
tích động tường minh theo thời gian (explicit time integration) được phát triển để giải quyết đồng thời
các bài toán vật lý nổ, lan truyền và tương tác của sóng nổ với công trình. Trong các chương trình tính
toán ABAQUS tùy theo mô đun và yêu cầu của bài toán có thể được giải bằng các phương pháp như
sai phân hữu hạn, thể tích hữu hạn, phần tử hữu hạn, ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) hay SPH
(The smoothed particle hydrodynamics) [1].

Bài toán mô phỏng nổ thực chất là tính toán các tham số của sản phẩm nổ và mô tả quá trình giãn
nở của sản phẩm nổ. Quá trình truyền sóng là mô phỏng quá trình lan truyền của các tham số áp suất,
nội năng, khối lượng, nhiệt độ, ứng suất và mật độ theo thời gian. Quá trình lan truyền và tương tác là
giải quyết các bài toán trên cơ sở định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng tại tất cả
các nút hoặc các phần tử theo điều kiện biên và điều kiện ban đầu [2, 3]. Các phương trình sử dụng
để mô tả trạng thái của vật liệu, các quan hệ giữa ứng suất, biến dạng và chuyển vị.
Khác với giải thuật khi giải các bài toán động lực học kết cấu ở vùng đàn dẻo (không có quá
trình phá hủy vật liệu) là giải các phương trình cân bằng động lực học sử dụng phép tính gần đúng
Newmark [4]. Khi giải các bài toán động lực học diễn ra trong thời gian ngắn và có xét đến sự phá
hủy vật liệu như trong bài toán nổ, người ta sử dụng sơ đồ tích phân trung tâm theo thời gian khác
nhau (thường được gọi là phương pháp Leapfrog) [1].
Để tính toán kết cấu chịu tác dụng của tải trọng nổ bằng các phần mềm ABAQUS trước tiên cần
phải mô hình hóa bài toán. Công việc này thực chất là phân chia các vùng tính toán, khai báo mô hình
vật liệu cho từng vùng, lựa chọn phương pháp giải phù hợp cho mỗi vùng và giải pháp tương tác giữa
các vùng. Trong mô hình số bằng phần mềm đó, mô hình tính và mô hình các vật liệu, các thông số
cơ bản có thể được lấy trực tiếp và các thông số còn lại thường được coi là giống với các thông số mô
hình cụ thể, điều này làm giảm độ chính xác của các kết quả mô phỏng số. Vì vậy, tác giả đã tiến hành
một số thí nghiệm để đưa ra các tham số của mô hình vật liệu thực sự cần thiết.
Trên thế giới các nghiên cứu về tác dụng của nổ tiếp xúc lên kết cấu bê tông cốt thép đã được thực
hiện trong các thập kỷ qua. Một vài nghiên cứu xác định tải trọng và phá hoại do nổ tiếp xúc để đưa
ra tải trọng tương đương cho sự phá hoại đó, làm căn cứ bước đầu nghiên cứu lý thuyết về phá hoại
do nổ tiếp xúc [5, 6]. Kot và cs. [7, 8] đã đề xuất các phương pháp lý thuyết về sự phá hoại của bê
tông dưới tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc, tuy nhiên các phương pháp này chỉ dựa trên một số giả
định đơn giản làm ảnh hưởng đến tính chính xác của kết quả. Vào cuối những năm 1980, một loạt các
thử nghiệm nổ bê tông đã được McVay [9] tóm tắt, các thông số ảnh hưởng đến sự phá hoại của bê
tông như: khoảng cách, trọng lượng chất nổ, độ dày tường, cường độ bê tông, phụ gia bê tông và hàm
lượng cốt thép đã được nghiên cứu. Wang và cs. [10] đã tiến hành các thử nghiệm nổ tiếp xúc trên các
tấm BTCT vuông với khối lượng thuốc nổ khác nhau, kết quả được quan sát, nghiên cứu qua đó sử
dụng để xác minh mô hình số của chúng. Dựa trên lượng lớn các cơ sở dữ liệu từ các thử nghiệm nổ
trên tấm sàn và tường bê tông cốt thép, Marchand và cs. [11] đã phát triển thuật toán về nứt dưới tác

dụng của tải trọng nổ đối với tấm sàn và tường bê tông cốt thép. Các nghiên cứu trên cho thấy, ứng xử
cơ học của bê tông chịu tác động của tải trọng nổ tiếp xúc rất phức tạp. Khả năng chịu tác động tải
trọng nổ tiếp xúc của cấu kiện bê tông cốt thép không được cao, sự phá hoại xuất hiện kèm theo sự
phát triển nhanh của các vết nứt làm cho công trình rất dễ bị phá hoại.
181


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Ở Việt Nam, các nghiên cứu về vấn đề nổ tiếp xúc cũng thực hiện trong những năm gần đây [12].
Việc nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số quá trình tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc đối với cấu
kiện bê tông cốt thép với bê tông B25 chưa được công bố. Mục tiêu của nghiên cứu này là thử nghiệm
hiện trường và mô phỏng lại quá trình phá hoại cấu kiện bê tông cốt thép chịu tác dụng của nổ tiếp
xúc. Các cấu kiện bê tông cốt thép có cùng kích thước đã được chế tạo và thử nghiệm nổ để so sánh
với kết quả mô phỏng số. Tải trọng nổ tiếp xúc của thuốc nổ TNT. Từ các tham số mô hình vật liệu có
được sau khi thí nghiệm, tác giả tiến hành bằng mô phỏng số bài toán phá hủy cấu kiện bê tông cốt
thép (BTCT) chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc, so sánh và đánh giá với kết quả thực nghiệm tại
hiện trường.
2. Mô phỏng số phá hủy cấu kiện bê tông cốt thép chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc
2.1. Cơ sở lý thuyết của các vùng trong bài toán mô phỏng

a. Vùng thuốc nổ
Thuốc nổ được sử dụng trong nghiên cứu này là loại thuốc nổ TNT và các loại tương đương. Khi
bị kích nổ thuốc nổ chuyển hóa rất nhanh từ thể rắn sang khí, tương tác và truyền sang các vùng xung
quanh một năng lượng nhất định [2, 3]. Do sự giãn nở rất lớn trong quá trình nổ, nên vùng thuốc nổ và
các phần tử của sản phẩm thuốc nổ được mô hình hóa và giải theo phương pháp lưới Euler hoặc nhờ
kỹ thuật hạt không lưới SPH nhằm tránh sự méo mó quá lớn của lưới dẫn đến lỗi trong quá trình giải
[13, 14]. Mặt khác trong quá trình nổ các phần tử của sản phẩm nổ có thể sẽ được mở rộng ra các lớp
vật liệu xung quanh và ngược lại, lớp vật liệu xung quanh có thể sẽ bị đẩy, thâm nhập vào vùng của
sản phẩm nổ. Do đó thuốc nổ và vùng vật liệu xung quanh cần phải được thiết lập để mô hình hóa và

giải theo cùng một phương pháp dạng lưới Euler hoặc kỹ thuật hạt không lưới SPH, trong môi trường
thiết lập đa vật liệu. Để mô hình hóa hiện tượng nổ và quá trình lan truyền áp lực sóng nổ, sử dụng
phương trình trạng thái do Lee – Tarver và Jones - Wilkins - Lee đề xuất. Theo đó phương trình trạng
thái của thuốc nổ TNT và chất nổ tương đương có dạng như sau [15]:
p= A 1−

ω −r1 v
ω −r2 v ωe
e
+B 1−
e
+
r1 v
r2 v
v

(1)

trong đó: p là áp suất thủy tĩnh; v = 1/ρ là thể tích riêng; ρ là khối lượng riêng thuốc nổ TNT;
A, B, r1 , r2 , ω là các hằng số đoạn nhiệt được xác định từ thí nghiệm.

b. Vùng kết cấu công trình
Đối với kết cấu công trình chịu tác dụng của tải trọng nổ, sự biến dạng của của các phần tử kết
cấu, vị trí của mỗi chất điểm trong môi trường kết cấu được mô được mô hình hóa bằng phương pháp
lưới Lagrange [16] để giải, chuyển vị, vận tốc và gia tốc của các nút cũng như ứng suất và biến dạng
của các phần tử trong vùng này nhận được nhờ giải các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng
và năng lượng. Phương trình này cùng với mô hình vật liệu cụ thể và một tập hợp các điều kiện ban
đầu, điều kiện biên sẽ cho ta lời giải hoàn chỉnh [17].
2.2. Mô hình vật liệu được sử dụng trong bài toán mô phỏng

a. Bê tông
Sử dụng mô hình vật liệu Holmquist – Johnson – Cook (HJC), các tham số của mô hình HJC được
xác định bằng phương pháp do Holmquist và cộng sự đề xuất [18]. Loại bê tông được sử dụng trong
nghiên cứu này là bê tông B25 hiện chưa có các tham số cho mô hình HJC, do vậy tác giả đã thực hiện
182


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

các thí nghiệm nén đơn trục, thí nghiệm lặp cũng như các thí nghiệm ép chẻ và nén ba trục bằng máy
nén ba trục tại Phòng thí nghiệm của Bộ môn Cơ sở kỹ thuật công trình, Viện Kỹ thuật công trình đặc
biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự để đưa ra các tham số của mô hình HJC cho bê tông B25. Cấp phối
bê tông như trong Bảng 1. Ở độ tuổi 21 ngày, 14 mẫu thử hình trụ với chiều dài và đường kính được
liệt kê trong Bảng 2, được đưa ra khỏi phòng bảo dưỡng và được mài cẩn thận ở cả hai đầu để tạo ra
các khu vực phẳng và nhẵn cho các tấm chất tải, sau đó chúng được đưa trở lại phòng bảo dưỡng cho
đến tuổi thí nghiệm.
Bảng 1. Cấp phối bê tông B25 sử dụng xi măng PC30

B25

Nước (lít)

Xi măng (kg)

Cát (m3 )

Đá 1 × 2 (m3 )

187

439

0,444

0,865

Bảng 2. Các thông số của mẫu bê tông B25

Tên mẫu

Khối lượng (g)

Chiều dài (mm)

Đường kính (mm)

Tỉ trọng (g/cm3 )

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

13
14

631,5
630,5
622,0
637,5
614,5
617,5
621,0
632,5
645,5
602,5
625,5
624,0
609,5
618,5

110,10
110,60
109,80
111,30
109,12
109,52
109,66
110,54
111,80
107,20
109,24
111,32

108,04
110,54

54,92
54,82
54,72
54,82
54,76
54,90
54,80
54,84
54,52
54,72
54,80
54,84
54,86
54,82

2,421
2,415
2,409
2,427
2,391
2,382
2,401
2,422
2,473
2,390
2,428
2,373

2,387
2,371

Theo kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 2, giá trị trọng lượng riêng ρ0 bằng giá trị trung
bình của 14 mẫu thí nghiệm, là 2,406 g/cm3 .
Thí nghiệm xác định cường độ nén đơn trục fc , mô đun đàn hồi E, hệ số Poisson v và mô đun cắt G
Giá trị của thông số cường độ nén đơn trục fc được xác định thông qua thí nghiệm nén một trục
mẫu bê tông B25. Ba thí nghiệm nén đơn trục đã được thực hiện và thu được ba bộ dữ liệu. Dựa trên
dữ liệu đó, giá trị của tham số cường độ nén đơn trục fc của mẫu bê tông B25 thu được từ điểm cực
đại của đường cong ứng suất - biến dạng (Bảng 3).
Theo kết quả thí nghiệm được trình bày trong Bảng 3, giá trị trung bình của ba mẫu được coi là giá
trị của tham số cường độ nén dọc trục fc , mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson v của mẫu bê tông B25
lần là fc = 41,305 MPa, E = 28320 MPa và v = 0,254. Mô đun cắt G = E/2(1 + v) = 11291,866 MPa.

183


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Bảng 3. Kết quả thí nghiệm nén dọc trục

Tên
mẫu

Cường độ nén
(MPa)

Biến dạng dọc trục
(10−2 )

Biến dạng ngang
(10−2 )

Mô đun đàn hồi
(MPa)

Hệ số
Poisson

3
8
9

41,203
39,680
43,031

0,273
0,221
0,261

−0,069
−0,059
−0,064

27086
29603
28271

0,252

0,266
0,244

Thí nghiệm xác định độ bền kéo đơn trục T
Để xác định độ bền kéo đơn trục T , dùng máy nén để ép chẻ 3 mẫu bê tông hình trụ có đường
kính 54 mm, chiều cao 110 mm. Tải trọng dọc trục được gia tải với tốc độ 0,1 mm/phút. Thí nghiệm
kết thúc khi một vết nứt xuất hiện trên bề mặt mẫu thử. Kết quả thu được là lực nén phá hủy P, từ đó
tính được độ bền kéo đơn trục T = 2P/πdh, trong đó d là đường kính mẫu, h là chiều cao mẫu. Tiến
hành thí nghiệm ép chẻ 3 mẫu bê tông và kết quả được thể hiện trong Bảng 4.
Bảng 4. Giá trị cường độ kéo dọc trục

Tên mẫu

Tải phá hủy
(kN)

Chiều dài
(mm)

Đường kính
(mm)

Cường độ kéo dọc trục
(MPa)

7
11
12

31,3

29,7
31,2

109,66
109,24
111,32

54,80
54,80
54,84

3,32
3,16
3,25

Theo kết quả thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 4, giá trị cường độ kéo dọc trục T bằng giá trị
trung bình của 3 mẫu thí nghiệm, là 3,24 MPa.
Thí nghiệm xác định hằng số hư hỏng e f min của vật liệu
Hằng số hư hỏng e f min là điểm tới hạn của
Bảng 5. Giá trị của tham số e f min
trạng thái biến dạng dẻo được xác định bằng thí
Tên mẫu
e f min
Giá trị trung bình
nghiệm lặp. Trong quá trình chất tải, đầu tiên các
mẫu bê tông được gia tải đến 90% cường độ nén
4
0,0018
đơn trục của chúng và sau đó được dỡ tải xuống 0
5

0,0015
0,0016
ở cùng tốc độ. Sau đó, việc gia tải được lặp lại và
6
0,0017
cường độ của nó được giảm đi 10% ở mỗi chu kỳ
cho đến khi không còn biến dạng dư [18]. Biểu đồ nứt gãy cho thấy rằng khi biến dạng dọc trục đạt
đến giao điểm của mặt phân cách và trục, mẫu mất hoàn toàn sức bền của nó và giá trị biến dạng bằng
giá trị của e f min . Các giá trị tham số thu được theo phương pháp trên được tóm tắt trong Bảng 5.
Theo kết quả thể hiện trong Bảng 5, tham số phá hủy e f min bằng giá trị trung bình của 3 mẫu,
là 0,0016. Do thiếu thiết bị thí nghiệm, nên lấy D1 = 0,04 và D2 = 1,0 theo đề xuất của đề xuất bởi
Holmquist và cs. (1993) [18].
Tham số đặc trưng cho độ bền của vật liệu A, B, N và S max
Các tham đặc trưng cho độ bền của vật liệu của mô hình HJC gồm A, B, N và S max , trong đó B, N
có thể được xác định bằng thí nghiệm nén ba trục, thông số S max = 7 lấy theo đề xuất bởi Holmquist
184


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

và cs. (1993). Tham số A là cường độ dính kết chuẩn hóa của bê tông tại ε˙ ∗ = 1,0. Do thiếu dữ liệu thí
nghiệm Holmquist và cộng sự giả định cường độ kết dính chuẩn hóa tại 0,75 fc đối với các điều kiện
bán tĩnh (ε˙ ∗ = 0,001) và có được A = 0,79 bằng cách chuẩn hóa tốc độ biến dạng thành ε˙ ∗ = 1,0 từ
công thức:
(2)
σ∗ = A(1 − D) + BP∗N 1 + C ln ε˙ ∗
Nếu không tính đến ảnh hưởng của các hiệu ứng tốc độ biến dạng và phá hủy, thì cân bằng của
mặt dẻo (2) có thể được đơn giản hóa như sau:
σ∗ = 0,79 + BP∗N

(3)

trong đó σ∗ = (σ1 − σ3 )/ fc ; P∗ = (σ1 + σ2 + σ3 )/3 fc , với σ1 là ứng suất dọc trục; σ2 , σ3 là áp lực
hông.
Để đạt được các giá trị của B và N. Một thử nghiệm nén ba trục được thực hiện bằng cách sử
dụng áp lực giới hạn ở tốc độ 2 MPa/s. Sau thời gian ổn định, gia tải dọc trục được áp dụng với tốc độ
0,1 mm/phút cho đến khi mẫu phá hoại với các cấp áp lực hông bằng 5, 10, 15, 20 và 25 MPa.
Áp suất thủy tĩnh P = (σ + 2σ3 )/3 và chênh lệch ứng suất chính ∆σ = σ1 − σ3 được chuẩn hóa
bằng các giá trị P∗ = P/ fc và σ∗ = ∆σ/ fc (Bảng 6).
Bảng 6. Giá trị σ∗ và P∗

Tên mẫu

σ1 (MPa)

σ3 (MPa)

σ∗ (MPa)

P∗ (MPa)

1
2
10
13
14

75,67
101,31
119,66

137,29
158,99

5
10
15
20
25

1,71
2,21
2,53
2,84
3,24

0,69
0,98
1,21
1,43
1,69

Sử dụng dữ liệu trong Bảng 6, hiệu chỉnh số liệu theo phương trình σ∗ = 0, 79 + BP∗N và đường
cong khớp với dữ liệu trong Bảng 6 ta thu được giá trị B = 1,405 và N = 1,085.
Tham số trạng thái Pcrush , µcrush , Plock , µlock , C, K1 , K2 và K3
Các tham số Pcrush , µcrush được xác định bằng công thức sau [18]: Pcrush = fc /3 và µcrush =
Pcrush /K với K = E/3(1 − 2v). Như vậy Pcrush , µcrush có giá trị lần lượt là 13,768 MPa và 0,0007.
Các tham số đặc trưng cho tốc độ biến dạng C, áp lực giới hạn nén Plock , biến dạng thể tích ở áp lực
nén µlock , và các hằng số vật liệu K1 , K2 và K3 được xác định bằng các thí nghiệm va đập và các thử
Bảng 7. Các tham số mô hình HJC cho bê tông B25

ρ0 (kg/m3 )

G (Pa)

A

B

C

N

e f min

2406
T (Pa)
3,24 × 106
D1
0,04

11,292 × 109
fc (Pa)
41,305 × 106
D2
1,0

0,79
S max
7
K1 (Pa)

85 × 109

1,405
Pcrush (Pa)
13,768 × 106
K2 (Pa)
−171 × 109

0,007
µcrush
0,0007
K3 (Pa)
208 × 109

1,085
Plock (Pa)
1 × 109

0,0016
µlock
0,08

185


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

nghiệm thanh áp lực Split-Hopkinson [18]. Do điều kiện thí nghiệm hạn chế nên các giá trị của các
tham số này được lấy theo đề xuất bởi Holmquist và cs. (1993) [18]. Như vậy, các tham số của mô
hình HJC cho bê tông B25 được xác định và liệt kê trong Bảng 7.

b. Cốt thép
Sử dụng mô hình phá hủy do Johnson-Cook đề xuất, các tham số của phương trình trạng thái, mô
hình bền, mô hình phá hủy của cốt thép được lấy theo tài liệu [19, 20] cụ thể như sau như Bảng 8.
Bảng 8. Các tham số mô hình vật liệu thép

E (MPa)

v

A (MPa)

B (MPa)

n

T melt (K)

T H (K)

m

200000
ρ (kg/m3 )
7850

0,3
C
0,017

263
D
1

130
D1
0,05

0,0915
D2
3,44

1800
D3
2,12

293,2
D4
0,002

1
D5
0,61

c. Thuốc nổ
Để mô hình hóa hiện tượng nổ và quá trình lan truyền áp lực sóng nổ, sử dụng phương trình trạng
thái do Lee – Tarver và Jones - Wilkins - Lee đề xuất [15] với các tham số: v = 1/ρ là thể tích riêng;
ρ là khối lượng riêng thuốc nổ TNT; A, B, r1 , r2 , ω là các hằng số đoạn nhiệt được xác định từ thí
nghiệm, vn là tốc độ nổ; E0 là năng lượng trên đơn vị thể tích; PCJ là áp suất nổ. Giá trị cụ thể các
tham số được liệt kê trong Bảng 9.

Bảng 9. Tham số mô hình vật liệu TNT

ρ (kg/m3 )

vn (m/s)

PCJ (kPa)

A (kPa)

B (kPa)

1650
r1
4,15

6930
r2
0,9

2,1 × 107
ω
0,35

3,7377 × 108
v
1/1650

3,73471 × 106
E0 (kJ/m3 )

6 × 106

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018

p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489

2.3. Mô hình hình học bài toán

Hình
hìnhhọc
họcbàibài
toán
Hình1.1.Mô
Môhình
hình hình
toán
Nghiên cứu sự phá huỷ và tương tác
của cấu kiện bê tông cốt thép dưới tác dụng
186
của tải trọng nổ tiếp xúc. Cấu kiện BTCT có chiều dài 1,5m, tiết diện 0,2x0,2m được
gia cường bằng 4 thanh thép 14, cốt đai 6a200 với chiều dày bảo vệ 0,01m. Cấu
kiện BTCT chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc có khối lượng 200g đặt chính giữa


Hình 1. Mô hình hình học bài toán
Nghiên cứu sự phá huỷ và tương tác của cấu kiện bê tông cốt thép dưới tác dụng
Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng
của tải trọng nổ tiếp xúc. Cấu kiện BTCT có chiều dài 1,5m, tiết diện 0,2x0,2m được
Nghiên
cứu bằng

sự phá4 huỷ
và thép
tương14,
tác của
bê tông
thépdày
dướibảo
tác vệ
dụng
của tảiCấu
trọng nổ
gia cường
thanh
cốtcấu
đaikiện
6a200
vớicốt
chiều
0,01m.
tiếp xúc.
kiệnchịu
BTCT
chiều
m, tiết
diện xúc
0,2 ×có0,2
m được
cường
4 thanh
kiện Cấu

BTCT
tác có
dụng
củadài
tải1,5
trọng
nổ tiếp
khối
lượnggia
200g
đặtbằng
chính
giữa thép
Φ14, cốt đai Φ6a200 với chiều dày bảo vệ 0,01 m. Cấu kiện BTCT chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp
cấu kiện BTCT (hình 1).
xúc có khối lượng 200g đặt chính giữa cấu kiện BTCT (Hình 1).
kiệnđược
BTCT
môphần
tả như
phầntrong
tử khối
khithanh
phầnáp
tửdụng
thanhcho
áp thanh
dụng thép.
Cấu kiệnCấu
BTCT

môđược
tả như
tử khối
khi trong
phần tử
Liêncho
kết thanh
giữa các
phần
tử
của
khối
bê
tông
và
thanh
thép
được
xác
định
theo
liên
kết
cứng.
Lưới bê
thép. Liên kết giữa các phần tử của khối bê tông và thanh thép được xác định
tông theo
đượcliên
chiakết
mịncứng.

với kích
thước
5 mm.
Lướichia
chịumịn
lực với
và thép
cũng5mm.
được chia
vớilực
kích
Lưới
bê tông
được
kíchđai
thước
Lướimịn
chịu
vàthước
5 mm (Hình 2).
thép đai cũng được chia mịn với kích thước 5mm (hình 2).

HìnhHình
2. Chia
lướilưới
phần
củamô
môhình
hình
phỏng

2. Chia
phầntửtửcấu
cấukiện
kiện BTCT
BTCT của
mômô
phỏng
Kết cấu bê tông được mô hình hóa bằng phương pháp lưới Lagrange. Điều kiện
Kết cấu bê tông được mô hình hóa bằng phương pháp lưới Lagrange. Điều kiện phá huỷ được xác
phá huỷ được xác định theo tiêu chuẩn vật liệu người dùng tự định nghĩa, sử dụng các tham
định theo tiêu chuẩn vật liệu người dùng tự định nghĩa, sử dụng các tham số vật liệu như thí nghiệm
số vật
liệunổ
như
thí
nghiệm
đãphương
nêu.
Thuốc
nổ2018
được
theo phương pháp SPH [13,14].
đã nêu.
được
tínhnghệ
theoXây
[13,tính
14].
Tạp Thuốc
chí Khoa

học
Công
dựng, pháp
NUCESPH
p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489
Điều kiệnĐiều
biên:
Cấu
kiệnCấu
BTCT
liên
kết liên
trênkết
2 gối
= ur
= ur
0) (Hình
3). 3).
kiện
biên:
kiệnđược
BTCT
được
trên(u21 gối
( u21 = ur
ur32 
 0 ) (hình
3

10

Hình
3.3.Điều
biêncủa
củakếtkết
Hình
Điềukiện
kiện biên
cấucấu
2.4. Kết quả mô phỏng số
2.4. Kết quả
phỏng
số
Kếtmô
quả
mô phỏng
số được thể hiện như trong hình 4; 5; 6; 7 và bảng 10.
Kết quả mô phỏng số được thể hiện như trong Hình 4–7 và Bảng 10.
187


Hình 3. Điều kiện biên của kết cấu
2.4. Kết quả mô phỏng số
Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Kết quả mô phỏng số được thể hiện như trong hình 4; 5; 6; 7 và bảng 10.

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018

p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489

11

Hình 4.Hình
Quá4.trình
phá phá
hủyhủy
cấucấukiện
theothời
thời
gian
mô mô
hình
mô phỏng
Quá trình
kiệnBTCT
BTCT theo
gian
trêntrên
mô hình
phỏng
188


Trung,
T., và
cs. kiện
/ Tạp BTCT
chí Khoatheo
học Công

nghệ Xây
Hình 4. Quá trình
pháP.hủy
cấu
thời gian
trêndựng
mô hình mô phỏng
Hình 4. Quá trình phá hủy cấu kiện BTCT theo thời gian trên mô hình mô phỏng

Hình
5. 5.
Kích
kiện BTCT
BTCTtrên
trênmô
môhình
hình
phỏng
Hình
Kíchthước
thướcvùng
vùngphá
phá hủy
hủy cấu
cấu kiện
mômô
phỏng
số số
Hình 5. Kích thước vùng phá hủy cấu kiện BTCT trên mô hình mô phỏng số

Tạp6.chí
Khoa
họcdọc
Công
nghệ
dựng,
NUCE (chính
2018 giữa,
p-ISSN
2615-9058;
e-ISSNdài
2734-9489
Hình
Biến
dạng
trục
tạiXây
phần
tử 42307
mặt dưới,
ở 1/4 chiều
cấu kiện)

Hình6.6.Biến
Biếndạng
dạngdọc
dọctrục
trục tại
tại phần
phần tử

Hình
tử 42307
42307 (chính
(chínhgiữa,
giữa,mặt
mặtdưới,
dưới,ởở1/4
1/4chiều
chiềudài
dàicấu
cấukiện)
kiện)
12
12

Hình
phần tử
tử 246742
246742(mặt
(mặtdưới
dướichính
chínhgiữa
giữacấu
cấu
kiện)
Hình7.7.Biến
Biếndạng
dạng dọc
dọc trục
trục tại

tại phần
kiện)
Bảng 10. Kích thước vùng phá hủy trên mô hình mô phỏng số
Bảng 10. Kích thước vùng phá hủy trên mô hình mô phỏng số
Chiều dài vùng phá
Chiều dài vùng phá
Chiều dài vùng phá
Chiều dài hủy
vùng
phá
dàitrên
vùng
Chiều
giữa
cấuhủy
kiện Chiều
hủy mặt
cấuphá
kiệnhủyhủy mặt
dướidài
cấuvùng
kiện phá hủy
giữa cấu kiện(mm)
(mm)
mặt trên (mm)
cấu kiện (mm)
mặt(mm)
dưới cấu kiện (mm)

Mô phỏngMô

sốphỏng số

264 264

612
612

684

684

Mô phỏng số cho thấy quá trình phá hoại của cấu kiện bê tông cốt thép khi chịu
tác
dụng
nổ tiếp
cácphá
thờihoại
điểm
0,0002,
0,0004,
0,0006,
0,002,
Mô phỏng số cho
thấyxúc
quátheo
trình
của
cấu kiện
bê tông
cốt 0,0008,

thép khi0,0014,
chịu tác
dụng nổ tiếp
0,004
vàđiểm
0,005s
(hình 4),
quá trình
phá hoại
của 0,0014,
nổ tiếp xúc
là rất0,004
nhanh,
thờis điểm
xúc theo các
thời
0,0002,
0,0004,
0,0006,
0,0008,
0,002,
vàđến
0,005
(Hình 4), quá
0,5 trở đi vùng phá hoại của cấu kiện đạt đến trạng thái lớn nhất, kết quả vùng bê tông
của cấu kiện BTCT bị phá hoại hoàn toàn
189ở chính giữa có chiều dài khoảng 264mm,
vùng phá hoại lan rộng ra phía các cạnh cấu kiện có chiều dài khoảng 612-684mm (bảng
10). Cốt thép chịu lực không bị phá hủy, thép đai tại vị trí gần lượng nổ bị thổi bay.
Biến dạng tại phần tử 42307 (chính giữa, mặt dưới, ở 1/4 chiều dài cấu kiện BTCT) đạt

Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

trình phá hoại của nổ tiếp xúc là rất nhanh, đến thời điểm 0,5 trở đi vùng phá hoại của cấu kiện đạt
đến trạng thái lớn nhất, kết quả vùng bê tông của cấu kiện BTCT bị phá hoại hoàn toàn ở chính giữa
có chiều dài khoảng 264 mm, vùng phá hoại lan rộng ra phía các cạnh cấu kiện có chiều dài khoảng
612-684 mm (Bảng 10). Cốt thép chịu lực không bị phá hủy, thép đai tại vị trí gần lượng nổ bị thổi
bay. Biến dạng tại phần tử 42307 (chính giữa, mặt dưới, ở 1/4 chiều dài cấu kiện BTCT) đạt giá trị
lớn nhất là 0,115 (Hình 6) và biến dạng tại phần tử 246742 (mặt dưới chính giữa cấu kiện BTCT) đạt
0,211 sau đó những phần tử bê tông tại vị trí đó bị phá hoại khỏi cấu kiện (Hình 7).
3. Thử nghiệm nổ phá hoại cấu kiện bê tông cốt thép
Tác giả tiến hành thử nghiệm nố tại hiện trường để phá hoại cấu kiện BTCT có chiều dài 1,5 m,
tiết diện 0,2×0,2 m được gia cường bằng 4 thanh thép Φ14, cốt đai a200 với chiều dày bảo vệ 0,01 m.
Cấu kiện BTCT chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc với khối lượng 200 g đặt chính giữa cấu kiện
(Hình 8). Xác định được thực trạng bị phá hoại của kết cấu. Từ đó sánh kết quả giữa thí nghiệm và mô
phỏng.
3.1. Thử nghiệm nổ phá hoại cấu kiện bê tông cốt thép
chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018
p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489
a. Chuẩn bị mô Tạp
hình
thử nghiệm
Mô hình thử nghiệm chế tạo tại xưởng bê tông đúc sẵn Chèm, kích thước và chất lượng đảm bảo
hìnhsau
thử nghiệm
chếvận
tạo tại
xưởngđến
bê tông

đúctrường
sẵn Chèm,
chất tại Hòa Lạc.
đúng theo yêu cầu bàiMô
toán,
đó được
chuyển
thao
củakích
Họcthước
việnvàKTQS
lượng đảm bảo đúng theo yêu cầu bài toán, sau đó được vận chuyển đến thao trường của
Tại thao trường tiến hành làm công tác chuẩn bị (Hình 8).

Học viện KTQS tại Hòa Lạc. Tại thao trường tiến hành làm công tác chuẩn bị (hình 8).

Hình 8. Ảnh mô hình thử nghiệm

Hình 8. Ảnh mô hình thử nghiệm
b. Thiết bị thí nghiệm
Máy đo biến dạng, đầu đo biến dạng, máy điểm hỏa, dây điện, kíp điện, loa, còi,
b. Thiết bị thí nghiệm
dây căng cảnh báo an toàn.
Máy đo biến dạng, đầu đo biến dạng, máy điểm hỏa, dây điện, kíp điện, loa, còi, dây căng cảnh
b1. Máy đo động NI SCXI–1000DC
báo an toàn.
Máy đo động đa kênh NI SCXI–1000DC (hình 9) là thiết bị đo động đa kênh
hiện
đại
do hãng National Instrument của Mỹ chế tạo. Đây là một hệ thống đo thông

Máy đo động NI SCXI–1000DC
minh có cấu hình mềm dẻo bằng cách tích hợp các loại card đo khác nhau tùy theo mục
Máy đo động
NIcủaSCXI–1000DC
đíchđa
thíkênh
nghiệm
người sử dụng. (Hình 9) là thiết bị đo động đa kênh hiện

đại do hãng
National Instrument của Mỹ chế tạo. Đây là một hệ thống đo thông minh có cấu hình mềm dẻo bằng
cách tích hợp các loại card đo khác nhau tùy theo mục đích thí nghiệm của người sử dụng.
190
Hình 9. Máy đo động NI SCXI–1000DC
b2. Cảm biến đo biến dạng


gắn cảm biến đo biến dạng trên mô hình thử nghiệm

hí nghiệm

đo biến dạng, đầu đo biến dạng, máy điểm hỏa, dây điện, kíp điện, loa, còi,
nh báo an toàn.
375

0

động NI SCXI–1000DC

375

Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa
học2a
Công nghệ Xây dựng
Điểm

750
Điểm 2b

Điểm 1

200

100

đo động (hình
đa kênh NI11)
SCXI–1000DC
9) là thiết
bị đo để
động điểm
đa kênh hỏa gây nổ cho tối đa
D200
loại(hình
máy
dùng
Cảm biến đo biếnlà
dạng
hãng National Instrument của Mỹ chế tạo. Đây là một hệ thống đo thông
thí nghiệm,

cảm
biến
đo3000V,
biến
dạngnhau
KC-60-120-A1-11
sử dụng
để đonhỏ
biến dạng
của 30
mềm
dẻo Trong
bằng
cách
tích
hợpđầu
các loại
card
đo khác
tùy theogian
mục được
ốhìnhcơ
bản:
điện
áp
ra
thời
nạp
điện
hơn

cấusử
kiện
bê tông cốt thép khi chịu tác dụng nổ tiếp xúc tại các điểm dưới đáy cấu kiện (Hình 10).
iệm của người
dụng.
1500
Hình
11.
Máy
điểm
hỏa FD200
DC.
Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018

375

375

p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489

750

Hình 10. Vị trí Điểm
gắn2acảm biến đo biến
trên
Điểm
2b mô hình thử n
Điểm 1dạng
200

100

b4. Thuốc nổ và kíp
nổ
b3. Máy điểm hỏa FD200

1500

Thuốc nổ được sử dụng là loại thuốc nổ TNT được đúc
200g, kích thước 100x50x25mm
(hình 12).
Máy điểm hỏa FD200 (hình 11) là loại máy dùng để điểm hỏa gây nổ cho tối đa

Máy điểm hỏa FD200 (hình 11) là loại máy dùng để điểm hỏa g
Hình
gắngắn
cảmcảm
biếnbiến
đo biến
dạng dạng
trên mô
hình
nghiệm
Hình
9.
Máy
đo
động
NI
SCXI–1000DC

Hình 9. Máy đo động NI200
SCXI–1000DC
Hình10.
10.Vị
trí
đo biến
trên
môthử
hình
thử
kíp nổ điện. Thông
sốVịtrícơ
bản:
điện
áp
đầu
ra 3000V,
thời
gian nạp
nghiệm
b3. Máy điểm hỏa FD200
n đo biến dạng
giây, điện áp nguồn 6VDC.

g thí nghiệm, cảm biến đo biến dạng KC-60-120-A1-11 được sử dụng để đo
200 kíp nổ điện. Thông số cơ bản: điện áp đầu ra 3000V, thời gian nạp điện nhỏ hơn 30
Máy
điểm
ủa cấu kiện bê
tông

cốthỏa
thépFD200
khi chịu tác dụng nổgiây,
tiếpđiện
xúcáptạinguồn
các điểm
6VDC.dưới
n (hình 10).
Máy điểm hỏa FD200 (Hình 11) là loại máy
dùng để điểm hỏa gây nổ cho tối đa 200 kíp nổ
điện. Thông số cơ14
bản: điện áp đầu ra 3000 V,
thời gian nạp điện nhỏ hơn 30 giây, điện áp nguồn
6 VDC.
Máy điểm
điểm hỏa
FD200
HìnhHình
11.11.
Máy
hỏa
FD200

Hình 11. Máy điểm hỏa FD200

Hình 11. Máy điểm hỏa FD200
Hình
12. Thuốc nổ TNT
b4. Thuốc nổ và kíp nổ

nổ và thuốc
kíp nổ
b4.
và kíp nổđúc thành bánh có khối lượng
dụng Thuốc
là loại
nổThuốc
TNTnổ được
nổ được
dụngthành
là loại bánh
thuốc nổ
đúc200
thànhg,bánh
có khối lượng
Thuốc nổ được sử dụng là loại thuốc Thuốc
nổ TNT
đượcsửđúc
có TNT
khốiđược
lượng
kích
200g,
kích
thước
100x50x25mm
(hình
12).
Thuốc
nổ

được
sử
dụng
là
loại
thuốc
nổ
TNT
được
đúc
bán
Kíp
điện
được
dụng
kíp
nổsố 8điện
số thành
8 (hìn
0x25mm
(hình
12).
thước
100 ×nổ
50 ×
25 mm (Hình
12). Kípsử
nổ điện
được sửlà
dụngloại

là loại kíp
nổ điện
(Hình 13).

200g, kích thước 100x50x25mm (hình 12).

Hình 12. Thuốc nổ TNT
Kíp nổ điện được sử dụng là loại kíp nổ điện số 8 (hình 13).

Hình 12. Thuốc nổ TNT
Hình 12. Thuốc nổ TNT

Hình 13. Kíp nổ điện số 8

Hình 12. Thuốc nổ
TNT
Hình
Kíp kíp
nổ điện
8điện
Kíp nổ
điện được
sử dụng
là13.
loại
nổsốđiện
số 8 (hình
Hình
13.
Kíp

nổ
số 813).
c. Trình tự thí nghiệm

c. Trình tự thí nghiệm

Tiến 8
hành
thí nghiệm
lần lượt
vớigthuốc
nổ TNT
200g đặt tiếp xúc
hành
thí nghiệm
nổ lầnđiện
lượt vớisố
thuốc
nổ(hình
TNT
khốinổ
lượng
200
đặt tiếp
xúckhối
trênlượng
cấu kiện
dụngTiến
là
loại

kíp nổ
13).
c.sửTrình
tự
thí
nghiệm
trên
cấu
kiện
BTCT
với
trình
tự
cụ
thể
như
sau:
BTCT với trình tự cụ thể như sau:

- Đặt cấu kiện BTCT vào vị trí để thí nghiệm
chặt;
- Đặt cấuliên
kiệnkết
BTCT
vào vị trí để thí nghiệm liên kết chặt;
Hình
13.
Kíp
nổ
số 8BTCT);

- Gắn các đầu đo biến dạng tại các điểm- Gắn
1 (chính
giữa,
mặtdạng
dưới,
1/4điểm
chiều
dàiđiện
cấu
kiện
các đầu
đo biến
tạiởcác
1 (chính
giữa,
mặt dưới, ở 1/4 chiều dài
điểm 2 (mặt dưới chính giữa cấu kiệncấu
BTCT);
kiện
BTCT); điểm 2 (mặt dưới chính giữa cấu kiện BTCT);
c. Trình tự thí
nghiệm
- Cấu tạo lượng nổ và bố trí lượng nổ vào mô hình kết cấu BTCT. Khi bố trí lượng nổ, tất cả người
- Cấu tạo lượng nổ và bố trí lượng nổ vào mô hình kết cấu BTCT. Khi bố trí
không có trách nhiệm phải ra khỏi
vị hành
trí nổ và
về vị trínổ
an lần
toànlượt

theo với
qui định
được
biếnkhối
tại lượng 2
Tiến
thírútnghiệm
thuốc
nổphổ
TNT
thao trường;
15
cấu
kiện
tự mạch
cụ thể
- Kiểm tra công tác trên
an toàn
trước
khiBTCT
nổ, cho với
phéptrình
kiểm tra
nổ;như sau:
- Tiến hành nổ, kiểm tra và xử lý mìn câm sau đó đo kết quả cho lần thí nghiệm.
- Đặt cấu kiện BTCT vào vị trí để thí nghiệm liên kết chặt;
Các lần nổ thí nghiệm tiếp theo quy trình được thực hiện theo đúng tuần tự như trên.

Tiến hành thí nghiệm nổ lần lượt với thuốc nổ TNT kh
trên cấu kiện BTCT với trình tự cụ thể như sau:

Hình 13. Kíp nổ điện số 8

- Đặt cấu kiện BTCT vào vị trí để thí nghiệm liên kết

- Gắn các đầu191
đo biến dạng tại các điểm 1 (chính giữa, mặt dưới
- Gắn các đầu đo
biến dạng
tại các điểm 1 (chính giữa
cấu kiện BTCT); điểm 2 (mặt dưới chính giữa cấu kiện BTCT);
iệm
lầnBTCT);
lượt vớiđiểm
thuốc2nổ(mặt
TNTdưới
khốichính
lượnggiữa
200gcấu
đặt tiếp xúc
cấu nổ
kiện
- Cấu tạo lượng
nổ và bố trí lượng
nổ vào mô kiện
hình kếtBTC
cấu BT


-- Kiểm
tra mạch

mạch nổ;
nổ;
Kiểm tra
tra công
công tác
tác an
an toàn
toàn trước
trước khi
khi nổ,
nổ, cho
cho phép
phép kiểm
kiểm tra
Tiến hành
hành nổ, kiểm
kiểm tra và
và xử lý
lý mìn câm
câm sau đó
đó đo kết
kết quả
quả cho
cho lần
lần thí
thí nghiệm.
nghiệm.
--- Tiến
Tiến hành nổ,
nổ, kiểm tra

tra và xử
xử lý mìn
mìn câm sau
sau đó đo
đo kết quả
cho lần
thí nghiệm.
Các lần
lần nổ thí
thí nghiệm tiếp
tiếp theo quy
quy trình được
được thực hiện
hiện theo đúng
đúng tuần
tuần tự
tự như
như trên.
trên.
Các
Các lần nổ
nổ thí nghiệm
nghiệm tiếp theo
theo quy trình
trình được thực
thực hiện theo
theo đúng tuần
tự như
trên.
Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

3.2. Kết
Kết quả
quả thử
thử nghiệm
nghiệm
3.2.
3.2.
quảthử
thửnghiệm
nghiệm
3.2. Kết
Kết quả
Kết quả
quả cấu
cấu kiện
kiện BTCT
BTCT bị
bị phá
phá hoại
hoại sau
sau khi
khi nổ
nổ cấu kiện
kiện BTCT
BTCT số
số 2,
2, 33 và
và 5 như
như trong
trong

KếtKết
quả quả
cấu kiện
bị phá bị
hoại
sauhoại
khi sau
nổ cấu
BTCT
số BTCT
2, 3 và 5số
như
Kết
cấu BTCT
kiện BTCT
phá
khikiện
nổ cấu
cấu
kiện
2, trong
3 và 55Hình
như14(a),
trong
hình 14(a),
14(a), (b),
(b), (c)
(c) và
và bảng 11.
11.

hình
(b), (c)
và Bảng
hình
14(a),
(b), 11.
(c) và bảng
bảng 11.

(a) Cấu
Cấu
kiện
BTCT
số 2
Cấu
kiện BTCT
số 2số 2
(a)
kiện
BTCT
(a) (a)
Cấu
kiện
BTCT
số 2

(b) Cấukiện
kiện BTCT
số 3số 3
(b) Cấu

Cấu
BTCT
(b)
(b) Cấu kiện BTCT số 3

(c) Cấu kiện BTCT số 5
(c)
Cấu
kiện BTCT
BTCT số
số 55
(c)
(c) Cấu
Cấu kiện
Hình 14. Hình ảnh cấu kiện BTCT bị phá hủy sau khi nổ cấu kiện số 2, 3 và 5
Hình
14.
Hình
ảnh
cấu
kiện
BTCT
bị phá
phá hủy
hủy sau
sau khi
khi nổ
nổ cấu
cấu kiện
kiện số

số 2,
2, 33 và
và 55
Hình
Hình 14.
14. Hình
Hình ảnh
ảnh cấu
cấu kiện
kiện BTCT
BTCT bị

Bảng
11.
Kích
thước
vùng
phá hủy
hủy trên
trên mô
mô hình thử
thử nghiệm
Bảng
Kích
thước
vùng
Bảng 11.
11.
Kích
thước

vùng
Bảng
11. Kích
thước
vùngphá
phá hủy trên
mô hìnhhình
thử nghiệmnghiệm
Chiều
dài
vùng
phá
Chiều dài
dài vùng
vùng phá
phá Chiều
Chiều dài
dài vùng
vùng phá
pháhủy
hủy
Chiều
Chiều dài
dài vùng
vùng phá
phá Chiều
Chiềuhủy
dài vùng
phá
hủy

Chiều
dài
vùng
phá
hủy
Chiều
dàidưới
vùngcấu
phákiện
hủy
Cấu
kiện
giữa
cấu
kiện
hủy
mặt
trên
cấu
kiện
mặt
Cấu
kiện
Cấu
kiện
giữa
cấu
hủy
mặt trên
cấu kiện mặt mặt

Cấu
kiện giữahủy
hủy
cấu kiện
kiện mặt
cấu(mm)
kiện
cấu giữa
kiện
(mm)
trên cấu
kiện (mm)
dướidưới
cấu
kiện
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
(mm)
Cấu
kiện
2
280280
655
695
Cấu
kiện

655
695
Cấukiện
kiện222
280
695
Cấu
280
655

Cấu kiện 3
Cấu kiện 5
Trung bình

310
265
285

16
16
192

635
660
650

710
725
710

Cấu kiện 3
310
635
710
Cấu
kiện
3
310
635
710
Cấu kiện 5
265
660
725
Cấu
kiện
5
265
660
725
Trung
bình
710
Trung, P.285
T., và cs. / Tạp chí Khoa học650
Công nghệ Xây dựng
Trung bình
285
650

710
Biếnđodạng
đothông
được qua
thông
cácbiến
cảmgắn
biếntrên
gắncấu
trênkiện
cấuBTCT
kiện BTCT
tại 1điểm
và 2 15
Biến dạng
được
cácqua
cảm
tại điểm
và 21(Hình
Biến
dạng
đo
được
thông
qua
các
cảm
biến
gắn

trên
cấu
kiện
BTCT
tại
điểm
1
và 2
(hình 15; 16).
và 16).
(hình 15; 16).

HìnhHình
15. Kết
quảquả
đođobiến
điểm1 1trên
trên
hình
15. Kết
biếndạng
dạng tại
tại điểm
mômô
hình
thựcthực
Hình 15. Kết quả đo biến dạng tại điểm 1 trên mô hình thực

Hình 16. Kết quả đo biến dạng tại điểm 2 trên mô hình thực
16. Kết

quả
đo
biếndạng
dạngkết
tại quả
điểm
2 2trên
môtông
hìnhhình
thựccấu
HìnhHình
16.
quả
đo
biến
tại
điểm
trên
mô
thựckiện BTCT bị
Thử nghiệm
nổ Kết
trên
hiện
trường
cho
vùng
bê
của
phá hoại

toàn ở chính
giữatrường
có chiều
285mm,
vùng
phá
lan
rộng
Thửhoàn
nghiệm
trên
hiện
chodài
kếtkhoảng
quả
vùng
bê cấu
tông
củaBTCT
cấu hoại
kiện
BTCT
Thử nghiệm
nổ trên nổ
hiện
trường
cho kết quả
vùng
bê tông
của

kiện
bị phá
hoạibị
hoàn
raở phía
cạnh
cấuở kiện
có
chiều
khoảng
650-710mm
Cốt
phá
hoạicác
hoàn
toàn
chính
giữa có
chiều
dài
khoảng
285mm,
vùng
phá 11).
hoạicạnh
lan thép
rộng
toàn
chính
giữa

có
chiều
dài BTCT
khoảng
285
mm,dài
vùng
phá hoại
lan rộng
ra(bảng
phía
các
cấu kiện
chịu
không
bị
phá
hủy,
thép
đai(Bảng
tại vị11).
trí Cốt
gần thép
lượng
nổlực
bị không
thổi (bảng
bay.
Biến
tại

BTCT
cólực
chiều
dài khoảng
650-710
mm
chịu
bị phá
hủy,dạng
thép
đai tại
ra
phía
các
cạnh
cấu
kiện
BTCT
có
chiều
dài
khoảng
650-710mm
11).
Cốt
thép
vị trí
gầnlực
nổ bị
bay.

Biến
dạng
điểm
1 gần
(chính
giữa,BTCT)
mặtbịdưới,
1/4trị
chiều
dài
cấu
điểm
1lượng
(chính
giữa,
dưới,
ở đai
1/4tại
chiều
dài
cấulượng
kiện
đạtởbay.
giá
lớn dạng
nhất
làkiện
chịu
không
bịthổi

phámặt
hủy,
thép
tại
vị trí
nổ
thổi
Biến
tại
BTCT)
đạt
giá
trị
lớn
nhất
là
0,109
(Hình
15)
và
biến
dạng
tại
điểm
2
(mặt
dưới
chính
giữa
cấu

0,1091(hình
15)giữa,
và biến
tạiởđiểm
2 (mặtdài
dưới
chính
cấu kiện
BTCT)
đạtnhất
0,236làkiện
điểm
(chính
mặtdạng
dưới,
1/4 chiều
cấu
kiệngiữa
BTCT)
đạt giá
trị lớn
BTCT) đạt 0,236 sau đó những phần tử bê tông tại điểm đó bị phá hoại khỏi cấu kiện (Hình 16).
sau đó(hình
những
tử bêdạng
tôngtạitạiđiểm
điểm2 đó
bị dưới
phá hoại
khỏi

cấucấu
kiện
(hình
16). đạt 0,236
0,109
15)phần
và biến
(mặt
chính
giữa
kiện
BTCT)

đósánh,
những
phần
tửquả
bê
4. sánh,
So
đánh
giá
kếttông
quả tại điểm đó bị phá hoại khỏi cấu kiện (hình 16).
4. sau
So
đánh
giá kết
4.Kết
Soquả

sánh,
đánh
kếtvàquả
Kết
thígiá
nghiệm
thựcphỏng
và mô
số hiện
đượcnhư
thểtrong
hiện Hình
như trong
17, 18,
thí quả
nghiệm
thực
mô
số phỏng
được thể
17–19hình
và Bảng
12. Kết
quả kích thước
phánghiệm
hủy trênthực
mô hình
thửphỏng
nghiệmsố
vàđược

mô phỏng
số (Hình
có sự
sai17,
khác18,
chiều
Kết vùng
quả thí
và mô
thể hiện
như 17)
trong
hình
dài vùng phá hủy giữa cấu kiện 7,4%; Chiều dài vùng phá hủy mặt trên cấu kiện 5,8%; Chiều dài
vùng phá hủy mặt dưới cấu kiện 3,7% (Bảng 12).17
Còn biến dạng dọc trục điểm 1 và 2 (trung bình của
điểm đo 2a và 2b) (Hình 18, 19) có sự sai khác lần lượt là 5,5% và 10,6%. Sai khác này hoàn toàn
17
chấp nhận được đối với bài toán mô phỏng tác dụng của tải trọng nổ.
193


Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2018
Tạp chí
chí Khoa
Khoa học
học Công
Tạp
Công nghệ
nghệXây

Xâydựng,
dựng,NUCE
NUCE2018
2018

19 và bảng 12.
19 và bảng 12.
19 và bảng 12.

p-ISSN 2615-9058; e-ISSN 2734-9489
p-ISSN
2615-9058;
e-ISSN
2734-9489
p-ISSN
2615-9058;
e-ISSN
2734-9489

Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Hình 17. Kích thước vùng phá hủy trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

17. Kích
thước
vùng
pháhủy
hủytrên
trên mô
và mô

phỏng
số số
Hình Hình
17. Kích
thước
vùng
phá
mô hình
hìnhthử
thửnghiệm
nghiệm
và mô
phỏng
Hình 17. Kích thước vùng phá hủy trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

Hình 18. Biến dạng tại điểm 1 trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

HìnhHình
18. Biến
dạng
tạitại
điểm
hìnhthử
thửnghiệm
nghiệm
phỏng
18. Biến
dạng
điểm11trên
trên mô

mô hình
và và
mô mô
phỏng
số số
Hình 18. Biến dạng tại điểm 1 trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

Hình 19. Biến dạng tại điểm 2 trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

Hình
19.
dạng
tại
điểm
2 trên18mô
hình
thử
nghiệm
và mô
mô phỏng
phỏng số
số
HìnhHình
19.Biến
Biến
dạng
tạitại
điểm
hìnhthử
thửnghiệm

nghiệm
19.
Biến
dạng
điểm22trên
trên mô
mô hình
và và
mô phỏng
số
18
18

194


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

Bảng 12. So sánh kết quả trên mô hình thử nghiệm và mô phỏng số

Chiều dài vùng phá hủy giữa cấu kiện (mm)
Chiều dài vùng phá hủy mặt trên cấu kiện (mm)
Chiều dài vùng phá hủy mặt dưới cấu kiện (mm)
Biến dạng dọc trục điểm 1
Biến dạng dọc trục điểm 2

Mô phỏng số

Thử nghiệm

Sai khác

264
612
684
0,115
0,211

285
650
710
0,109
0,236

7,4%
5,8%
3,7%
5,5%
10,6%

5. Kết luận
Bài cáo đã trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sự phá hoại của cấu kiện bê
tông cốt thép chịu tác dụng của nổ tiếp xúc. Kết quả nghiên cứu cho thấy:
- Thời gian tác dụng phá hủy cấu kiện bê tông cốt thép của nổ tiếp xúc là rất ngắn, cấu kiện bị phá
hoại hoàn toàn ở vùng tiếp xúc với lượng nổ và vùng phá hoại đó lan rộng ra ở mặt trên và mặt dưới
cấu kiện. Cốt thép bị ảnh hưởng không đáng kể.
- Sai khác kết quả mô phỏng số và thực nghiệm cụ thể lần lượt: Chiều dài vùng phá hủy giữa cấu
kiện 7,4%; Chiều dài vùng phá hủy mặt trên cấu kiện 5,8%; Chiều dài vùng phá hủy mặt dưới cấu
kiện 3,7%; Biến dạng dọc trục điểm 1 và 2 lần lượt là 5,5% và 10,6%. Kết quả nhận được từ mô phỏng
số phù hợp với kết quả thí nghiệm hiện trường, thông qua mô phỏng số cho ta thấy rõ cơ chế phá hoại

kết cấu bê tông cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng nổ tiếp xúc theo từng thời điểm.
Từ đó có cơ sở để khẳng định tính hợp lý khi sử dụng mô hình vật liệu HJC cho bê tông và mô
hình vật liệu Johnson-Cook cho cốt thép trong phân tích kết cấu bê tông cốt thép chịu tác dụng nổ tiếp
xúc bằng phần mềm ABAQUS. Kết quả đó hữu ích cho mô phỏng các bài toán kháng xuyên, kháng
nổ và kháng sập luỹ tiến chịu tác dụng nổ.
Tài liệu tham khảo
[1] (2020). ABAQUS Theory Manual, revision 2020. Pawtucket, Rhode Island, Mỹ.
[2] Lee, E., Finger, M., Collins, W. (1973). JWL equation of state coefficients for high explosives. Technical
report, Lawrence Livermore Laboratory, Livermore, Calif, UCID-16189, Berkeley.
[3] Henrych, J., Major, R. (1979). The dynamics of explosion and its use, volume 569, chapter 5. Elsevier
Amsterdam.
[4] Biggs, J. M. (1964). Introduction to structural dynamics. New York: McGrawHill.
[5] Li, J., Hao, H. (2011). A two-step numerical method for efficient analysis of structural response to blast
load. International Journal of Protective Structures, 2(1):103–126.
[6] Dragos, J., Wu, C. (2014). Interaction between direct shear and flexural responses for blast loaded oneway reinforced concrete slabs using a finite element model. Engineering Structures, 72:193–202.
[7] Kot, C. A., Valentin, R. A., McLennan, D. A., Turula, P. (1978). Effects of air blast on power plant
structures and components. Technical report, Argonne National Lab., IL (USA).
[8] Kot, C. A. (1977). Spalling of concrete walls under blast load. Structural Mechanics in Reactor Technology, 31(9):2060–2069.
[9] McVay, M. K. (1988). Spall damage of concrete structures. Technical report, ARMY Engineer Waterways
Experiment Station Vicksburg MS Structures LAB.
[10] Wang, W., Zhang, D., Lu, F., Wang, S.-c., Tang, F. (2013). Experimental study and numerical simulation
of the damage mode of a square reinforced concrete slab under close-in explosion. Engineering Failure
Analysis, 27:41–51.

195


Trung, P. T., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng

[11] Marchand, K. A., Plenge, B. T. (1998). Concrete hard target spall and breach model. Air Force Research

Laboratory, Munitions Directorate, Lethality . . . .
[12] Hòa, P. D., Thắng, N. C., Linh, N. Đ., Dung, B. T. T., Lộc, B. T., Đạt, Đ. V. et al. (2019). Nghiên cứu
thực nghiệm khả năng chịu tác động tải trọng nổ của vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC). Tạp
chí Khoa học Công nghệ Xây dựng (KHCNXD)-ĐHXD, 13(3V):12–21.
[13] Monaghan, J. J. (1988). An introduction to SPH. Comput. Phys. Comm., 48:89–96.
[14] Hayhurst, C. J., Clegg, R. A. (1997). Cylindrically symmetric SPH simulations of hypervelocity impacts
on thin plates. International Journal of Impact Engineering, 20(1-5):337–348.
[15] Lee, E., Finger, M., Collins, W. (1973). JWL equation of state coefficients for high explosives. Technical
report, Lawrence Livermore National Lab.(LLNL), Livermore, CA (United States).
[16] Johnson, G. R. (1994). Linking of Lagrangian particle methods to standard finite element methods for
high velocity impact computations. Nuclear Engineering and Design, 150(2-3):265–274.
[17] Abascal, R., Dominguez, J. (1984). Dynamic behavior of strip footings on non-homogeneous viscoelastic
soils. Dynamic Soil-structure Interaction: Proceedings of the International Symposium on Dynamic SoilStructure Interaction, Minneapolis, 25–35.
[18] Holmquist, T. J., Johnson, G. R. (2011). A computational constitutive model for glass subjected to large
strains, high strain rates and high pressures. The 14th international symposium on ballis-tic, Quebec,
Canada, (5):26–29.
[19] Johnson, G. R., Cook, W. H. (1983). A constitutive model and data for metals subjected to large strains,
high strain rates and high temperatures. Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics,
The Netherlands, 21(1):541–547.
[20] Johnson, G. R., Cook, W. H. (1985). Fracture characteristics of three metals subjected to various strains,
strain rates, temperatures and pressures. Engineering Fracture Mechanics, 21(1):31–48.

196