KHẢO SÁT CÁC MÔ HÌNH PHÁ HOẠI DẺOCỦA DẦM BÊ TÔNG XỈ CỐT THÉPTRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤT THÀNH

KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO
CỦA DẦM BÊ TƠNG XỈ CỐT THÉP
TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG
DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP - 60580208

1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN TẤT THÀNH

KHẢO SÁT CÁC MƠ HÌNH PHÁ HOẠI DẺO
CỦA DẦM BÊ TƠNG XỈ CỐT THÉP
TRONG THÍ NGHIỆM UỐN BA ĐIỂM

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠNG TRÌNH XÂY DỰNG
DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP - 60580208
Hướng dẫn khoa học:

T.S LÊ ANH THẮNG

2


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201…
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

NGUYỄN TẤT THÀNH

iii


CẢM TẠ
Sau thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật
Thành Phố Hồ Chí Minh, được sự chỉ hỗ trợ cuả quý thầy trong trường. Tơi đã
hồn thành luận văn tốt nghiệp. Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu cùng
quý thầy của trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập nâng cao cả tri thức
và lối sống.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Chủ Nhiệm Khoa cùng các Thầy Cô
khoa Xây Dựng và Cơ Học Ứng Dụng đã quan tâm, giảng dạy và truyền đạt kiến
thức vô cùng quý báo trong quá trình học tập cũng như trong thời gian thực hiện
luận văn tốt nghiệp của tôi..
Và đặc biệt tôi vô cùng biết ơn Thầy Lê Anh Thắng đã tận tình giúp đỡ và
hỗ trợ chỉ bảo tôi ngay từ bước đầu làm luận văn; trang bị và truyền đạt cho tôi
những kinh nghiệm, kiến thức quý báo để nghiên cứu, cũng như gợi mở những

phương hướng thực hiện, hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.
Và cảm ơn các bạn lớp XDC2015A cũng như các lớp khác đã nhiệt tình
giúp đở và chân thành góp ý kiến để luận văn hoàn chỉnh hơn.
Luận văn tốt nghiệp là quá trình nghiên cứu lâu dài và sự hỗ trợ quý Thầy
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM. Tuy rằng luận văn này được thực
hiện với sự cố gắng lớn lao, nhưng cũng khơng ít sai sót trong quá trình nghiên
cứu. Rất mong nhận được sự quan tâm góp ý kiến, cũng như chỉ bảo thật nhiều của
quý thầy để luận văn được hoàn thiện hơn.

Trân trọng!
Thành Phố Hồ Chính Minh,ngày 16 tháng 09 năm 2016
Học viên thực hiện
Nguyễn Tất Thành
Lớp XDC 2015A

1


TÓM TẮT
Việc sử dụng vật liệu xỉ thép ứng dụng trong xây dựng là một hướng
nghiên cứu phát triển ở Việt Nam. Xỉ thép có tính chất tương tự nhằm thay
thế đá tự nhiên trong bê tông. Trong nghiên cứu này, đưa ra đánh giá q
trình mơ phỏng mơ hình dầm bê tông cốt thép mà thay thế cốt liệu lớn bằng
xỉ. Việc đánh giá mơ hình được dựa trên kết quả thực nghiệm, tiến trình mơ
phỏng và thơng số định nghĩa trong mơ hình. Mơ hình và phân tích được thể
hiện thơng qua phần mền Abaqus. Hai mơ hình đường cong quan hệ ứng suất
và biến dạng của bê tơng được lựa chọn để đánh giá q trình mơ phỏng dầm.
Mỗi mơ hình có hai đường cong ứng xử ở hai trạng thái làm việc của bê tông.
Vật liệu bê tông được mô phỏng bằng cả miền chịu kéo và chịu nén. Trong
nghiên cứu này, Sự kết hợp giữa hai mơ hình số thép với hai mơ hình bê tơng

để tìm sự kết hợp phù hợp. Tỉ lệ chia phần tử cũng là một đề xuất khi mô
phỏng dầm. Mơ hình được đánh giá chính xác khi sai số giữa hai biểu đồ
đường cong quan hệ lực và chuyển vị dầm giữa mô phỏng và thực nghiệm
nhỏ nhất. Trong phân tích mơ hình mơ phỏng, dầm bê tơng xỉ cốt thép được
mô phỏng dựa vào thực nghiệm và mô hình số vật liệu của bê tơng thường
(RCB). So sánh biểu đồ thực nghiệm và mơ phỏng để phân tích đưa ra nhận
xét. Tương tự kết quả mô phỏng của dầm bê tông thường (RCB) và dầm bê
tông xỉ (SRCB) cũng được so sánh. Từ kết quả so sánh này, Nghiên cứu này
chỉ ra rằng có thể sử dụng thơng số mơ hình bê tơng thường để mơ phỏng cho
dầm bê tông xỉ và đưa ra sai số cần thiết khi sử dụng giả thuyết này.

2


ABSTRACT
Using slag in construction is a promisingly research direction for
sustainable development in Vietnam. The properties of slag are expected to
replaceable large particles in concretes. The article discusses the process of
validating computational models of concrete beams in which large particles is
replaced by steel slag. The model evaluation was conducted on the basis of
experimental results and covers the process of modeling and identification of
parameters in the model. The modeling and analysis is conducted in supported
environment of Abaqus. Two models of stress-strain relationship of concretes
are chosen for consideration in beams modeling processes. Each model has
two curves representing behaviors in both stages of concretes. Concretes
material is simulated both compression and tension processes. They are
combined with two steel reinforcement models to find suitable models of slag
concretes. A meshed size is also proposed for the beams modeling. Small
errors between two relationship curves of load and mid-span deflection
indicates that the validation is successes. Moreover, In this simple supported

beam analysis, the model of SRCB was conducted on the basis of
experimental and computational models of concrete beams in which use
crushed limestone aggregate concretes (RCB). Finally, the results of the
experimentation and the Abaqus analysis were comprared in a diagram.
Similarly, the results of the model of SRCB and models of RCB also were
comprared. From the results of this comparison, The article shows that can
use the process of modeling and identification of parameters of the model of
RCB to simulate for SRCB and shows that degree of accuracy when using the
model of RCB to simulate for SRCB.
3


MỤC LỤC
Trang tự đầu

Trang

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
LÝ LỊCH CÁ NHÂN ................................................................................... i
CẢM TẠ ..................................................................................................... ii
TÓM TẮT .................................................................................................. iv
MỤC LỤC .................................................................................................. vi
DANH SÁCH HÌNH.................................................................................... x
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................... xiv
Chương 1 – TỔNG QUAN........................................................................... 1
1.1. Tổng Quan ............................................................................................ 1
1.1.1. Phương pháp mơ phỏng tính tốn............................................. 1
1.1.2. Bê tơng xỉ cốt thép ................................................................... 4
1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu ...................................... 4
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................... 5

1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài ...................................................... 5
1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài................................... 5
1.2.4. Phương pháp nghiên cứu............. ................................................5
1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ................................. 5
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................6
2.1. Công nghệ mô phỏng dầm..................................................................... 6
2.1.1. Khái niệm về mô phỏng ........................................................... 6
2.1.2. Ưu và nhược điểm mô phỏng................................................... 7
2.1.3. Một số loại mô phỏng dầm bê tông cốt thép................................7
2.1.4. Phương pháp mô phỏng ba chiều (3D).........................................9

4


2.1.5. Phương pháp mô phỏng hai chiều (2D)......................................10
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm............................ 10
2.3. Mô hình phá hoại dẻo cho dầm bê tơng cốt thép .................................. 12
2.4. Mơ hình vật liệu bê tơng trong mơ phỏng ........................................... 13
2.4.1. Mơ hình vật liệu bê tơng trong ABAQUS ............................. 13
2.4.2. Một số mơ hình số vật liệu bê tơng ....................................... 16
2.5. Mơ hình vật liệu thép trong mơ phỏng ................................................ 23
2.5.1. Mơ hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) .................... 23
2.5.2. Mơ hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL)......... 24
2.6. Thông số tính tốn cho mơ hình .......................................................... 25
2.6.1. Hệ số modul đàn hồi ............................................................ 27
2.6.2. Hệ số poission...................................................................... 27
2.6.3. Tỉ lệ chia phần tử (Size Mesh) ............................................. 27
2.6.4. Thông số mơ hình phá hoại dẻo ........................................... 27
2.6.5. Loại phần tử trong mơ phỏng ............................................... 28
2.6.6. Mơ hình bám dính vật liệu bê tông và cốt thép chịu lực...28

2.7. Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus............................ ..27
Chương 3 - NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CỦA DẦM...........................29
3.1. Các tính tốn nén mẫu để lấy thơng số đầu vào cho mơ hình ............... 31
3.1.1. Cấp phối bê tơng sử dụng trong thí nghiệm........................... 31
3.1.2. Kết quả nén cường độ ........................................................... 31
3.2. Thí nghiệm cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm......................................... 32
3.2.1. Mục đích thí nghiệm .............................................................. 32
3.2.2. Dụng cụ thí nghiệm cấu kiện dầm ......................................... 32
3.2.3. Công tác chuẩn bị.......................................................................35

5


3.2.4. Trình tự thí nghiệm.....................................................................36
3.2.5. Kiểm tra mẫu thử........................................................................37
3.3. Kết quả thực nghiệm dầm bê tông xỉ ................................................... 39
3.3.1. Chuyển vị giữa dầm ............................................................... 39
3.3.2. Biến dạng giữa dầm ............................................................... 39
3.3.3. Biến dạng tại ¼ dầm .............................................................. 40
Chương 4 - THIẾT LẬP MƠ HÌNH TRÊN PHẦN MỀN
ABAQUS........................................................................................................42
4.1. Thơng số tính tốn cho mơ hình .......................................................... 42
4.1.1. Mơ hình vật liệu bê tơng ....................................................... 42
4.1.2. Mơ hình vật liệu thép ............................................................ 46
4.1.3. Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử ......................... 47
4.2. Các bước mơ hình hóa trên phần mền ABAQUS................................. 48
4.2.1. Xây dựng cấu kiện ................................................................. 48
4.2.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt ............................... 54
4.2.3. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện ................................................. 57
4.2.4. Định nghĩa ràng buộc............................................................. 59

4.2.5. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên ................................... 62
4.2.6. Chia lưới cho cấu kiện dầm.................................................... 64
4.2.7. Thiết lập các bước phân tích .................................................. 66
4.2.8. Cơng tác phân tích ................................................................. 66
4.2.9. Một số chú ý khi thiết lập phân tích mơ hình ......................... 68
Chương 5- KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MƠ
HÌNH MƠ PHỎNG DẦM..............................................................................69
5.1. Hướng nghiên cứu và so sánh.............................................................. 69
5.2. Kết quả mô phỏng dầm bê tông thường và bê tông xỉ .......................... 70
5.3. Đánh giá sự chính xác mơ hình mô phỏng ........................................... 70
6


5.3.1. So sánh tỉ lệ chia phần tử ....................................................... 70
5.3.2. Đánh giá sự chính xác mơ hình số vật liệu ............................. 71
5.3.3. So sánh kết quả mơ hình bê tơng thường và bê tông xỉ ......... 76
Chương 6 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ SO SÁNH THỰC NGHIỆM MƠ
HÌNH MƠ PHỎNG DẦM..............................................................................80
6.1. Kết luận và đánh giá ............................................................................ 80
6.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo ............................................................... .80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ .82

7


DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Mơ phỏng dầm bê tơng cốt thép....................................................10
Hình 2.2: Mơ hình độ cứng chịu kéo bê tơng (Abaqus Manual 2008).........14
Hình 2.3: Mơ hình đường cong quan hệ ứng suất và biến dạng....................15
Hình 2.4: Kết quả so sánh mơ phỏng và thí nghiệm thực..............................16
Hình 2.5: Mơ hình độ cứng chịu kéo - Nayal và Rasheed (2006).................18
Hình 2.6: Mơ hình độ cứng chịu kéo sửa đổi cho Abaqus............................18
Hình 2.7: Mơ hình đường cong nén bê tơng theo Hsu – Hsu........................19
Hình 2.8: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu nén
Hognestad........................................................................................................21
Hình 2.9: Đường cong quan hệ ứng suất – biến dang miền chịu kéo
Hognestad........................................................................................................22
Hình 2.10: Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mơ hình
thép..................................................................................................................21
Hình 2.11: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mơ hình thép (SEPL)...........23
Hình 2.12 : Quan hệ ứng suất và biến dạng của mơ hình thép IEPL..............24
Hình 2.13 : Mơ hình bám dính của 2 loại vật liệu..........................................29
Hình 3.1: Strain gauge....................................................................................33
Hình 3.2: Thiết bị đo chuyển vị......................................................................34
Hình 3.3: Máy uốn cấu kiện...........................................................................34
Hình 3.4: Máy ghi số liệu thực nghiệm..........................................................35
Hình 3.5: Gia cơng cốt thép và ván khn.....................................................36
Hình 3.6: Q trình trộn bê tơng....................................................................36

8


Hình 3.7: Cơng tác đầm dùi...........................................................................37
Hình 3.8: Mẫu thí nghiệm kích thước 150 x 150 x150 mm...........................37
Hình 3.9: Mơ hình thí nghiệm cấu kiện dầm.................................................38

Hình 3.10: Thiết kế dầm tính tốn..................................................................38
Hình 3.11: Vị trí Strain gauge và LVDT........................................................38
Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tơng thường.........39
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ chuyển vị và lực của dầm bê tơng xỉ.................39
Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tơng
thường..............................................................................................................40
Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ biến dạng giữa dầm và lực của dầm bê tơng
xỉ......................................................................................................................40
Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tơng
thường..............................................................................................................41
Hình 3.17: Biểu đồ quan hệ biến dạng ¼ dầm và lực của dầm bê tơng
xỉ......................................................................................................................41
Hình 4.1: Cửa sổ Create Part trong Abaqus...................................................49
Hình 4.2: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng................................50
Hình 4.3: Kích thước mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng..............50
Hình 4.4: Cửa số Edit Base Extrusion............................................................50
Hình 4.5: Mơ hình ba chiều của cấu kiện dầm bê tơng..................................51
Hình 4.6: Mơ hình hai chiều của cấu kiện tấm đệm thép...............................51
Hình 4.7: Mơ hình ba chiều của cấu kiện tấm đệm thép................................52
Hình 4.8: Mơ hình hình học hai chiều của cốt đai..........................................52
Hình 4.9: Mơ hình hình học ba chiều của cốt đai...........................................53
Hình 4.10: Mơ hình hình học hai chiều của cốt thép dọc...............................53
Hình 4.11: Mơ hình hình học ba chiều của cốt thép dọc...............................54
Hình 4.12: Xác định thông số vật liệu bê tông..............................................55
9


Hình 4.13: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tơng.......................56
Hình 4.14: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép......................57
Hình 4.15: Lựa đối tượng gán mặt cắt............................................................57

Hình 4.16: Cửa sổ Edit Section Assignment..................................................57
Hình 4.17: Cửa sổ Create Instance.................................................................58
Hình 4.18: Cửa sổ sao khi hồn thành việc lắp ghép bê tơng và đệm
thép..................................................................................................................59
Hình 4.19: Hồn thành việc lắp ghép các đối tượng......................................60
Hình 4.20: Mơ hình sau khi chia khối các đối tượng.....................................60
Hình 4.21: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tơng.............................................61
Hình 4.22: Gàn buộc giữa điểm đặt lực và dầm bê tơng................................62
Hình 4.23: Gàn buộc giữa tấm thép và dầm bê tơng......................................63
Hình 4.24: Cửa sổ Edit Boundary Condition.................................................64
Hình 4.25: Cửa sổ Global Seeds....................................................................65
Hình 4.26: Mơ hình thiết lập chia lưới...........................................................65
Hình 4.27: Thơng báo về chia lưới.................................................................66
Hình 4.28: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê
tơng.................................................................................................................66
Hình 4.29: Cửa sổ Edit Step..........................................................................67
Hình 4.30: Cửa sổ Create Job........................................................................67
Hình 4.31: Cửa sổ Edit Job............................................................................68
Hình 4.32: Cửa sổ Job Manager.....................................................................68
Hình 5.1: Kết quả mơ phỏng dầm
RCB.................................................................................................................71
Hình 5.2: Kết quả mơ phỏng dầm SRCB.......................................................71
Hình 5.3: Biểu đồ so sánh các tỉ lệ chia tại giá trị chuyển vị 0,035...............72

10


Hình 5.4: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 1 dầm bê
tơng xỉ..............................................................................................................74
Hình 5.5: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị so sánh trường hợp 2 dầm bê

tơng xỉ..............................................................................................................76
Hình 5.6: Biểu đồ quan hệ lực và chuyển vị cho RCB và SRCB..................78
Hình 5.12: Biểu đồ độ quan hệ tải trọng và ứng suất cốt thép cho RCB và
SRCB. .............................................................................................................79
Hình 6.1: Sự mở rộng vết nứt Abaqus. ..........................................................82
Hình 6.2: Mơ phỏng nút khung và chịu tải động. ..........................................82

11


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 2.1: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo.....................................................26
Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông xỉ..............................................28
Bảng 3.2: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông thường......................................28
Bảng 3.3: Cường độ chịu nén mẫu bê tông thường và bê tông xỉ..................29
Bảng 4.1: Thông số đặc trưng của bê tông thường và bê tông xỉ...................39
Bảng 4.2: Thông số miền chịu nén của mơ hình Hsu-Hsu.............................40
Bảng 4.3: Thơng số miền chịu kéo của mơ hình Hsu-Hsu.............................40
Bảng 4.4: Thơng số miền chịu nén của mơ hình E. Hognestad.....................41
Bảng 4.5: Thơng số miền chịu kéo của mơ hình E. Hognestad.....................42
Bảng 4.6: Thông số đặc trưng của cốt thép....................................................42
Bảng 4.7: Thông số đặc trưng của mơ hình SEPL.........................................43
Bảng 4.8: Thơng số đặc trưng của mơ hình IEPL.........................................43
Bảng 4.9: Loại phần tử mơ phỏng dầm.........................................................44
Bảng 4.10: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo mơ hình....................................44
Bảng 5.1: Kết quả lực và chuyển vị giữa dầm cho nhiều tỉ lệ chia...............68

12


Chương 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan.
1.1.1. Phương pháp mơ phỏng tính tốn.
Hiện nay, các cấu kiện trong cơng trình xây dựng được làm việc với
nhiều hình thức khác nhau. Để hiểu rõ các ứng xử của chúng trong quá trình
làm việc là điều rất cần thiết vì khi đó sẽ tính tốn được rũi ro, cũng như dự
trù phương án thiết kế kết cấu phù hợp và hiệu quả với ứng xử đó tránh
trường hợp phát sinh rũi ro gây ảnh hưởng đến sự an tồn cơng trình. Nhiều
phương pháp đã được sử dụng để nghiên cứu ứng xử cấu kiện bê tông cốt
thép, trong đó có hai phương pháp thường sử dụng nhất là phương pháp thí
nghiệm và phương pháp mơ phỏng. Nhưng phương pháp thí nghiệm có thể
cho biết được ứng xử thực của kết cấu nhưng lại tồn tại những khuyết điểm:
thời gian nghiên cứu lâu, chỉ phù hợp với cấu kiện kích thước (cấu kiện mà có
thể thí nghiệm) và tốn rất nhiều kinh phí để thí nghiệm cấu kiện. Những năm
gần đây, việc sử dụng phần tử hữu hạn (PTHH) trong xây dựng trở nên phổ
biến do sự phát triển khơng ngừng của cơng nghệ máy tính, mà chương trình
tốn Abaqus là một trong những lựa chọn tốt nhất để mơ phỏng và phân tích
ứng xử cấu kiện bê tơng cốt thép nói riêng và mơ phỏng tính tốn nói chung.
Tuy nhiên, ứng xử vật liệu trong miền dẻo của kết cấu bê tông cốt thép là
tương đối phức tạp do thuộc tính phi tuyến của vết nứt và nén vở bê tông
trong giai đoạn đẻo. Thực tế phải cần một sự kết hợp mô phỏng được thực
hiện trước và kết quả thí nghiệm dùng để kiểm chứng và hiệu chỉnh. Sau đó,
mới dùng phương pháp mơ phỏng cho cấu kiện khác. Trong nghiên cứu này,
mô phỏng bằng phần mền Abaqus và thí nghiệm đối chứng được thực hiện
cho cấu kiện dầm chịu uốn ba điểm để đưa ra những phân tích và bình luận.

1


Nhiều nghiên cứu đã đưa ra được mơ hình hóa cấu kiện bê tơng. Từ
đó có thể sử dụng các thơng số tính tốn từ phần mền để hiểu rỏ hơn ứng xử
cấu kiện bê tông dưới tác dụng lực tác động. Một số nghiên cứu như sau:
+ Nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử của nút khung bê tông cốt thép
bằng phương pháp phần tử hữu hạn” của tác giả Ths. Lê Đăng Dũng – Bộ
môn kết cấu xây dựng – Viện kỹ thuật xây dựng. Trong nghiên cứu này, tác
giả đã sử dụng phần mền Abaqus (SIMULA 2008) để mơ phỏng tính tốn nút
khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Từ mơ phỏng , tác giả trình bày sự
làm việc và khảo sát sự phá hủy của nút khung khi thay đổi độ lệch tâm giữa
dầm và cột.
+ Nghiên cứu “ Mơ hình phần tử hữu hạn và thí nghiệm kiểm chứng
ứng xử khơng đàn hồi của kết cấu bê tông cốt thép” của tác giả Nguyễn Trần
Trung, Phạm Hữu Huy, Lư Quang Hải, Hồ Hữu Chỉnh. Các tác giả đã mơ
phỏng tính tốn phần tử hữu hạn bằng chương trình ANSYS. Dựa và mơ hình
tác giả phân tích được ứng xử phi tuyến của các cấu kiện dầm cột bê tơng cốt
thép, trong đó phần tử SOLID dùng để mô phỏng vật liệu bê tông, LINK dùng
để mô phỏng vật liệu cốt thép.
+ Nghiên cứu “Nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt
thép được tăng cường bằng bê tông lưới cốt dệt” của tác giả Nguyễn Huy
Cường, Vũ Văn Hiệp, Lê Đăng Dũng. Trong nghiên cứu này, các tác giả trình
bày nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép được tăng cường
bằng lưới dệt bê tơng bên ngồi. Tác giả sử dụng phương pháp tính tốn phần
tử hữu hạn bằng phần mền Abaqus. Phần mền Abaqus được sử dụng để mô
phỏng sự làm việc chịu uốn của kết cấu, có xét đến đặc điểm làm việc phi
tuyến của vật liệu, cũng như hình học. Mơ hình ứng xử bám dính giữa hai lớp
vật liệu bê tơng và lưới dệt sử dụng để mơ tả chính xác sự làm việc, cũng như
cơ chế phá hoại của kết cấu dầm được gia cường.

2


+ Nghiên cứu “ A Material Model for Flexuaral Crack Simulation in
Reinforced Concrete Elements Using Abaqus” của tác giả Wahalathantri.B.L ,
Thambiratnam.D.P , Chan.T.H.T , FAWZIA.S . Trong nghiên cứu này, Các
tác giả đưa ra được các mơ hình ứng xử vật liệu bê tông cốt thép cho phần
mền Abaqus. Mô hình mơ tả ứng xử vật liệu thì bao gồm mơ hình quan hệ
ứng suất biến dạng miền nén, và sự phá hoại miền kéo. Tác giả cũng mơ
phỏng tính tốn ứng xử của dầm chịu uốn. Thơng qua kết quả, tác giả cho
chúng ta sự chính xác của các mơ hình mơ tả ứng xử vật liệu bê tơng cốt thép.
+ Nghiên cứu “ Nolinear Analysis of Reinforced Con concrete
Beam Bending Failure Experimentation Based on Abaqus” của các tác giả
Deng Sihua, Qie Ze, Wang Li. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phần mền Abaqus. Trong phân tích
tính tốn dầm thì các tác giả lựa chọn mơ hình phá hoại dẻo để sử dụng tính
tốn mơ phỏng dầm chịu uốn. Tác giả phân tích ứng xử sự làm việc và phá
hoại của dầm chịu uốn.
+ Nghiên cứu “Modeling of Concrete for Nonlinear Analysis Using
Finite Element Code Abaqus” của các tác giả S.V. Chaudhari và
M.A.Chakrabaeti. Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích tính tốn tính
chất vật liệu bê tơng có xét đến tính phi tuyến. Tác giả sử dụng phương pháo
phần tử hữu hạn thông qua phần mền Abaqus. Trong mơ hình tính tốn, tác
giả đã sử dụng mơ hình 3D và mơ hình phá hoại dẻo và mơ hình vết nứt rời
rạc qua đó so sánh sự chính xác của hai mơ hình khi mơ phỏng tính tốn cấu
kiện dầm chịu uốn.
Vì vậy, Nghiên cứu bằng phương pháp bằng phương pháp mô phỏng
rất phát triển để nghiên cứu ứng xử cấu kiện dầm. Phương pháp này có nhiều
ưu điểm nhưng khả năng khảo sát ứng cấu kiện: tiết kiệm thời gian nghiên
cứu, có thể ứng dụng trên nhiều cấu kiện, thay đổi thơng số mơ hình tương

3


đối nhanh, có thể nghiên cứu trên cấu kiện có kích thước khơng thể thực
nghiệm.
1.1.2. Bê tơng xỉ cốt thép.
Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu chính là vật liệu bê tông
xỉ cốt thép. Bê tông xỉ cốt thép ngày này được xem là một loại vật liệu xanh,
làm giảm sự ô nhiễm môi trường (do sử dụng xỉ thép trong nghành chế tạo
kim loại nặng giảm lượng xỉ thải ra môi trường). Bê tông xỉ cốt thép cũng là
một chủ đề nghiên cứu mạnh ở Việt Nam. Xỉ thép là một loại vật liệu phế thải
từ nghành công nghiện luyện thép. Những nhà nghiên cứu nghĩ rằng, vật liệu
xỉ có thể thay thế một phần trong cấu kiện bê tông cốt thép (thay thế cốt liệu
lớn đá). Hiện nay, đã có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm về loại vật liệu xỉ
này. Và cũng chỉ ra rằng xỉ thép là loại vật liệu có tính chất tương tự tính chất
của đá tự nhiên. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí
Minh cũng có nhiều nghiên cứu về tính chất vật liệu xỉ như nghiên cứu của
tác giả Nguyễn Thị Thúy Hằng, 2015 [8] bằng phương pháp thực nghiệm.
Trong nghiên cứu này chỉ ra rằng “ Đưa ra được hệ số modul đàn hồi bê tơng
xỉ cốt thép, hệ số possion, cũng nhưng tính chất cường độ bê tông xỉ tốt hơn
bê tông đá tự nhiên”. Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp mô phỏng
để xem tính chất của vật liệu xỉ trong dầm chịu uống ba điểm.
1.2. Sự cần thiết của đề tài và mục tiêu nghiên cứu.
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài.
Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tính chất của xỉ thép, cũng như tính chất
của bê tơng xỉ cốt thép. Nhưng chưa nghiên cứu về ứng xử vật liệu bê tông xỉ
cốt thép trong cấu kiện. Nghiên cứu này mong muốn sử dụng những tính chất
của bê tơng xỉ đã có từ những nghiên cứu trước, để mơ phỏng tính tốn cho
cấu trước cho trong thí nghiệm uốn ba điểm cho thấy ứng xử cấu kiện trong
chịu tác dụng của tải trọng so sánh kết của thực nghiệm. Hướng đến sử dụng

4


mô phỏng để mô tả những cấu kiện không thể thí nghiệm được tại phịng thí
nghiệm.
1.2.2. Mục đích nghiên cứu đề tài.
Nghiên cứu này đề cập đến hai vấn đề chính trong q trình mơ phỏng
tính tốn dầm bê tơng xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm.
+ Đưa ra những nhân tố ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng và cũng đề
xuất những thông số sử dụng để mơ phỏng để đạt được kết quả chính xác
nhất.
+ Đề xuất giả thuyết mơ hình ứng xử vật liệu bê tông xỉ trong mô
phỏng dầm bê tông xỉ cốt thép trong thí nghiệm chịu uốn ba điểm. Thơng qua
mơ hình vật liệu dùng cho bê tơng đá thường (đưa ra hệ số sai lệch).
1.2.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài.
Đối tượng chính trong nghiên cứu này là loại vật liệu bê tơng xỉ cốt
thép, trong đó có sử dụng bê tơng đá tự nhiên để đưa ra kết quả kiểm chứng.
Phạm vi nghiên cứu đề tài, dầm bê tông xỉ cốt thép chịu uốn ba điểm.
1.2.4. Phương pháp nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu chính trong đề tài là phương pháp mô phỏng
theo phần tử hữu hạn kết hợp với so sánh kết quả thực nghiệm (từ thí nghiệm
thực tế).
1.2.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Hồn thiện thêm cách nghiên cứu mơ phỏng cho loại vật liệu mới bê
tông xỉ cốt thép.
Tăng khả năng ứng dụng xỉ thép trong dầm bê tông xỉ cốt thép so với
bê tông đá tự nhiên.
Đưa ra được cách mô phỏng dầm bê tông xỉ và đưa ra được những nhân
tố ảnh hưởng trực tiếp kết quả mô phỏng.
Đề xuất được mơ hình số ứng xử vật liệu cho bê tông xỉ cốt thép.

5


Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Công nghệ mô phỏng dầm.
2.1.1. Khái niệm về mơ phỏng.
Mơ hình hóa (Modeling) là thay thế đối tượng gốc bằng một mơ
hình nhằm các thu nhận thông tin quan trọng về đối tượng bằng cách tiến
hành các thực nghiệm trên mơ hình. Lý thuyết xây dựng mơ hình và nghiên
cứu mơ hình để hiểu biết về đối tượng gốc gọi lý thuyết mơ hình hóa. Nếu các
q trình xảy ra trong mơ hình đồng nhất (theo các chỉ tiêu định trước) với
các quá trình xảy ra trong đối tượng gốc thì người ta nói rằng mơ hình đồng
nhất với đối tượng. Lúc này người ta có thể tiến hành các thực nghiệm trên
mơ hình để thu nhận thông tin về đối tượng.
Mô phỏng (Simulation, Imitation) là phương pháp mơ hình hóa dựa
trên việc xây dựng mơ hình số (Numerical model) và dùng phương
pháp số (Numerical method) để tìm các lời giải. Chính vì vậy máy tính số là
cơng cụ hữu hiệu và duy nhất để thực hiện việc mô phỏng hệ thống. Lý thuyết
cũng như thực nghiệm đã chứng minh rằng, chỉ có thể xây dựng được mơ
hình gần đúng với đối tượng mà thơi, vì trong q trình mơ hình hóa bao giờ
cũng phải chấp nhận một số giả thiết nhằm giảm bớt độ phức tạp của mơ hình,
để mơ hình có thể ứng dụng thuận tiện trong thực tế. Mặc dù vậy, mơ hình
hóa ln ln là một phương pháp hữu hiệu để con người nghiên cứu đối
tượng, nhận biết các quá trình, các quy luật tự nhiên. Đặc biệt, ngày nay với
sự trợ giúp đắc lực của khoa học kỹ thuật, nhất là khoa học máy tính và cơng
nghệ thơng tin, người ta đã phát triển các phương pháp mơ hình hóa cho phép
xây dựng các mơ hình ngày càng gần với đối tượng nghiên cứu, đồng thời
việc thu nhận, lựa chọn, xử lý các thơng tin về mơ hình rất thuận tiện, nhanh
6

chóng và chính xác. Chính vì vậy, mơ hình hóa là một phương pháp
nghiên cứu khoa học mà tất cả những người làm khoa học, đặc biệt là
các kỹ sư đều phải nghiên cứu và ứng dụng vào thực tiễn hoạt động của
mình.
2.1.2. Ưu và nhược điểm mơ phỏng.
Phương pháp mơ phỏng có một số ưu và nhược điểm hơn so với
phương pháp nghiên cứu thực nghiệm như sau:
x Giá thành nghiên cứu phương pháp mô phỏng tương đối thấp
hơn so với phương pháp thực nghiệm.
x Thời gian dự đoán kết quả nhanh hơn so với phương pháp thực
nghiệm.
x Nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng của giảm rủ ro trong
q trình thí nghiệm.
x Phương pháp mơ phỏng cũng có thể dự đoán được những cấu
kiện tương đối lớn ( khơng thể nghiên cứu trong thí nghiệm do điều kiện thí
nghiệm khơng cho phép).
Tuy nhiên, phương pháp mơ phỏng cũng tồn tại những khuyết điểm cần
đáng chú ý.
x Phương pháp để sai số so với thực nghiệm. Do có rất nhiều thông
số điều chỉnh cần phải nắm rõ những thông số này tránh trường hợp kết quả
lệch do các thông số tính tốn.
x Phương pháp này cũng cho kết quả tương đối chính xác.
2.1.3. Một số loại mơ phỏng dầm bê tông cốt thép.
Dầm bê tông cốt thép là cấu kiện chịu uốn được áp dụng rộng rãi trong
nghành xây dựng. Đối với việc dự đoán ứng xử dầm bê tơng cốt thép, có
nhiều phương pháp được sử dụng trong đó có cả phân tích tĩnh và phương
pháp số. Tính tốn phân tích tĩnh của dầm bê tơng được áp dụng cho dầm có
7

tình đồng nhất và những hình dạng đơn giản. Phương pháp này cũng tính tốn
cho dầm bê tơng cốt thép khi chưa xuất hiện vết nứt. Tuy nhiên, khi định
nghĩa ứng xử hoàn toàn cho vật liệu, xét đến sự không đồng nhất mặt cắt
ngang như là: sự ảnh hưởng của cốt thép chịu lực, vật liệu tính tốn đến miền
dẻo (xét đến trạng thái khi xuất hiện vết nứt), kể đến sự ảnh hưởng của việc
trượt giữa các vật liệu (trong đó có sự trượt bê tơng và cốt thép) thì phương
pháp phân tích tĩnh tốn khơng áp dụng được, mà thay vào đó là phương pháp
số.
Ngồi việc phương pháp số có thể dự đốn được ứng xử của dầm bê
tông cốt thép ở cả giai đoạn đàn hồi, giai đoạn dẻo (xuất hiện vết nứt) và ứng
xử những trạng thái phức tạp của dầm. Cùng sự phát triển máy tính ngày càng
phổ biến, thì những phần mền tính tốn mơ phỏng dự trên phương pháp số
cũng pháp triễn rộng rãi cho các cấu kiện trong nghành xây dựng. Trong đó
phương pháp phần tử hữu hạn cũng phát triển theo. Phương pháp này cùng
với phần mền máy tính đã giải quyết được nhiều bài tốn phức tạp, trong đó
việc tính tốn mơ phỏng dầm bê tơng cốt thép.
Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn phụ thuộc và một số yếu tố
sau:
1. Quy mô của kết cấu (một cấu kiện hay toàn bộ kết cấu).
2. Sự phức tạp của cấu kiện mô phỏng (1D, 2D, 3D).
3. Kết quả cần đạt được (cho toàn bộ, cục bộ cấu kiện).
4. Mức độ chính xác.
5. Sự hạn chế của mơ hình (vật liệu phân tích đàn hồi, trạng thái
dẻo, sự trượt các vật liệu...)
Ngồi ra, khi tính tốn mơ phỏng cho cấu kiện, vấn đề quan trọng là
cân bằng giữa sự chính xác từ kết quả mơ hình và phương tiện mơ phỏng (liên
quan đến cấu hình máy để chạy kết quả mô phỏng và thời gian chạy mô
8

hình). Khi cần sự chính xác tiệm cận với giá trị thực tế thì phải dùng phương
tiện máy tính cho mơ hỏng phải mạnh và tương ứng thời gian tính toán cho
bài toán cũng tương đối dài.
Vấn đề vết nứt trong cấu kiện dầm bê tơng cốt thép, nó thuộc về sự phá
hoại cục bộ dầm. Cùng với hiện tượng này, là hiện tượng trượt giữa bê tông
và cốt thép chịu lực. Hai hiện tượng này là nguồn gốc chính cho sự phát triển
phi tuyết của vật liệu bê tông cốt thép. Ở giai đoạn này vật liệu ứng xử hoàn
toàn khác so với giai đoạn đàn hồi. Trong phương pháp mô phỏng dựa trên
phần tử hữu hạn, giai đoạn này được phát triển mơ hình riêng.
2.1.4. Phương pháp mơ phỏng ba chiều (3D).
Cấu kiệm dầm bê tông cốt thép thường không sử dụng mô phỏng đối
tượng vật rắn (3D) .Vì khi sử dụng đối tượng vật rắn (3D) địi hỏi nhiều biến
tính tốn hơn đối tượng cấu trúc (1D) hoặc đối tượng lên tục (2D). Nhưng khi
sử dụng đối tượng vật rắn (3D) mang lại một số ưu điểm. Khi sử dụng đối
tượng này sẽ đạt được dạng phá hủy của dầm (nứt và trượt neo cốt thép tại
gần gối) mà khi sử dụng đối tượng khác thì khơng thể đạt được kết quả.
Mô phỏng cốt thép chịu lực khi chọn đối tượng dầm theo mơ hình ba
chiều cũng có nhiều cách mơ phỏng khác nhau như là:
+ Mơ phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng 3D. Khi mô
phỏng xem mỗi thanh cốt thép là một đối tượng. Trong q trình phân tích
xem các thanh cốt thép này là một lớp giữa bê tông hoặc nhúng chúng vào
trong bê tơng. Sau đó khai báo sự bám dính bề mặt hai loại vật liệu bê tông và
thép bằng mơ hình bám dính.
+ Mơ phỏng cốt thép chịu lực sử dụng đối tượng như tấm theo
2D gán một chiều dày quy đổi tương đối cho lớp này hoặc có thể mô phỏng
cốt thép lực như dạng thanh theo 1 phương. Khi phân tích tính tốn thì định
nghĩa các tính chất đối tượng này theo mặt cắt ngang dầm.
9

Trong cả hai trường hợp mô phỏng cho thanh cốt thép chịu lực cho dầm
bê tông cốt thép đều được sử dụng rộng rãi và được áp dụng cho nhiều phần
mền mơ phỏng trong đó có phần mền Abaqus.

Hình 2.1 – Mô phỏng dầm bê tông cốt thép.
2.1.5. Phương pháp mơ phỏng hai chiều (2D).
Tương tự đối với mơ hình theo ba phương. Mơ hình mơ phỏng dầm
theo hai phương cũng khơng được sử dụng trong ứng xử tồn cục của dầm.
Tuy nhiên, Phương pháp mô phỏng hai chiều thường được sử dụng trong việc
xác định về vết nứt (bề rộng vết nứt, hình dạng vết nứt).
Cấu kiện dầm có chiều lớn hơn so với bề rộng và chiều cao nên ứng
suất phẳng thường được sử dụng để phân tích dầm theo phương pháp mô
phỏng 2D. Cốt thép chịu lực trong dầm có thể mơ phỏng theo đối tượng 2D
hoặc thanh 1D.
2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng dầm.
Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải
các bài tốn được mơ tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các
điều kiện kiện cụ thể.
Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục
phức tạp của bài toán. Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con
(phần tử). Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Trên miền
con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa
10