Tài liệu MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CẤU TRÚC BÊ TÔNG

Đề tài MỘT PHƯƠNG PHÁP HỢP NHẤT MÔ HÌNH HÓA KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA CẤU TRÚC BÊ TÔNG AN UNIFIED APPROACH FOR MODELING PERFORMANCE OF CONCRETE STRUCTURES Người thực hiện: Th.S Bùi Đức Vinh BM Vật Liệu Xây Dựng, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 1 • Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY I. Giới thiệu II. Đặt vấn đề và mục tiêu nghiên cứu III. Mục tiêu nghiên cứu IV. Nhiệm vụ và phương pháp nghiên cứu V. Tổng quan VI. Cơ sở lý thuyết của đề tài VII. Dự đoán các kết quả sẽ đạt được và khả năng áp dụng VIII. Kết luận chung 2 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông I. GIỚI THIỆU Khả năng phục vụ và tuổi thọ của công trình ‰ Giải pháp kết cấu công trình ‰ Vật liệu bê tông • Khả năng làm việc (performance) • Độ bền của vật liệu (durability) ‰ Các hướng quan tâm trong thực tế kỹ thuật công trình • Nâng cao khả năng làm việc của vật liệu bằng cách tạo ra các loại bê tông mới (HPC, RCC, SCC, CPRC) • Nâng cao độ bền bằng cách kiểm soát hạn chế các tác nhân có hại (xâm thực, vết nứt, co ngót, từ biến…) • Tìm giải pháp kết cấu hợp lý 3 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Thân đập St. Francis (Los Angles) bị hư hỏng do các vết nứt và cấu trúc vật liệu bị phá hủy Đập bị phá hủy hoàn hoàn, công trình sau khi bị phá hủy 4 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Sự hư hỏng mặt đường do tác dụng của tải trọng và sự co ngót của vật liệu 5 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Mẫu các vết nứt trên cấu kiện sàn, dầm 6 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Các kết cấu khối lớn chịu ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt hydrat hóa trong giai đoạn đầu 7 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Thấm của kết cấu dưới sự tấn công của nước biển 8 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông II. ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu độ bền của bê tông và khả năng làm việc của công trình •Theo định hướng nghiên cứu cấu trúc vật liệu ‰ Cấu trúc của vật liệu bê tông được hình thành như thế nào? + Phản ứng thủy hóa + Sự hình thành cấu trúc ‰ Vai trò của các quá trình hóa lý ở giai đoạn hình thành cấu trúc + Quá trình hydrat hóa, truyền nhiệt, thấm : nước, khí + Sự định hình cấu trúc, phát triển cường độ ‰ Ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài đến cấu trúc của vật liệu ? + Nhiệt độ, hơi ẩm (Đ.kiện môi trường, quá trình dưỡng hộ…) + Tải trọng tác dụng. ‰ Kiểm soát sự hình thành các vết nứt 9 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông Ảnh hưởng của giai đoạn hình thành cấu trúc đến độ bền kết cấu Biến dạng, co ngót Nhiệt Hydrat hóa Nứt Cốt thép bị ăn mòn Giảm khả năng chịu lực Xâm thực Tăng nguy cơ gây hại... Tải trọng ngoài... Tác nhân môi trường Nhiệt độ, độ ẩm Thấm ... Giảm Tuổi thọ Vết nứt nhiệt hydrat hóa Vết nứt do co ngót Cấu trúc ban đầu của vật liệu có ảnh hưởng quyết định đến độ bền và khả năng phục vụ của công trình 10 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông III. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đề xuất mô hình hợp nhất phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ (Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical ) ‰ Phân tích đồng thời sự làm việc của vật liệu và kết cấu ‰ Đánh giá khả năng làm việc (phục vụ) của công trình PHẠM VI ỨNG DỤNG ‰ Kiểm soát nhiệt hydrat hóa trong các kết cấu khối lớn (thủy điện, thủy lợi, khối móng lớn, si lô, khối tiêu năng…) ‰ Kiểm soát vết nứt cho các kết cấu có bề mặt lớn (nứt do thoát hơi nước, từ biến, co ngót) ‰ Hỗ trợ thiết kế và sản xuất các sản phẩm bê tông đúc sẵn, ứng suất trước ‰ Kiểm soát sự làm việc của vật liệu BT của các công trình chịu nhiệt độ và áp suất cao (tháp giải nhiệt của lò phản ứng hạt nhân, bể nước nóng), công trình bị cháy. ‰ Hỗ trợ đánh giá độ bền công trình 11 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông IV. NHIỆM VỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ‰ Quá trình hydrat hóa của xi măng - Ảnh hưởng của các thành phần khoáng (loại xi măng), tính phát nhiệt, - Mô hình nguồn nhiệt, Sự hình thành và phát triển cấu trúc đá xi măng ‰ Mô hình các quá trình truyền khối trong vật liệu - Mô hình cấu trúc vi mô của bê tông - Các quá trình vật lý (truyền nhiệt, thấm, áp suất lỗ rỗng, độ ẩm...) ‰ Mô hình sự thay đổi tính chất của bê tông - Sự phát triển cường độ, ảnh hưởng các yếu tố thành phần ‰ Ứng xử của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng ngoài - Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng - Mô hình vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) và đàn dẻo (viscoplastic) ‰ Đối tượng vật liệu cho nghiên cứu: các vật liệu phổ biến tại Việt nam 12 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông ‰ Thiết lập hệ phương trình vi phân cho mô hình đề nghị ‰ Xây dựng lời giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn ‰ Lập các chương trình tính toán trên máy tính ‰ Kiểm tra kết quả ‰ Xây dựng các ứng dụng điển hình Các phương pháp và kế hoạch triển khai thực hiện 1. Thu thập và phân tích thành phần các loại xi măng hiện có ở thị trường Việt nam (liên kết với một số nhà sản xuất XM, PTN Cty Holcim) 2. Thực hiện các thí nghiệm nhiệt hydrat hóa (tại PTN VLXD) 3. Phát triển mô hình lý thuyết, kiểm tra so sánh với các mô hình khác 4. Thí nghiệm trên khối bê tông để kiểm chứng kết quả (đo nhiệt, độ ẩm, cường độ, biến dạng - thực hiện tại các PTN khoa KTXD) 5. Triển khai thí nghiệm như phần 4 trên thực tế (phối hợp với các nhà thầu ) 13 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ‰ Nghiên cứu này tập trung theo hướng kiểm soát các tác nhân gây hại cho vật liệu (nhiệt độ, độ ẩm môi trường, lực tác dụng). ‰ Chưa xét đến ảnh hưởng của các yếu tố hóa học đối với vật liệu ‰ Vật liệu: xi măng, cốt liệu và các loại phụ gia sử dụng.. Là những loại phổ biến ở Việt Nam. ‰ Các thí nghiệm kiểm chứng kết quả mô hình số chỉ được thực hiện trong điền kiện có thể được 14 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông V. TỔNG QUAN ‰ Định hướng chung nghiên cứu độ bền của bê tông I. Cải thiện tính chất vật liệu II. Kiểm soát các tác nhân gây hại ‰ Các xuất phát nghiên cứu theo hướng (II) - Xác định các tác nhân gây hại (Nhiệt hydrat hóa, co ngót, bốc hơi nước, tải trọng tác dụng: trọng lượng bản thân và tải trọng ngoài) - Nghiên cứu sự ảnh hưởng của cấu trúc ban đầu đến độ bền của công trình - Các biện pháp hạn chế tác nhân gây hại - Xây dựng các mô hình tính toán, và các tiêu chuẩn áp dụng cho thực tiễn ‰ Các nghiên cứu điển hình • L. Taerwe G.D Shutter (Bỉ) (1998-2002), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt hydrat bảo vệ các khối Tetrapode làm đê chắn sóng, các bê tông khối lớn. • Jan Bijen và cộng sự (Hà lan) (1995-nay), nghiên cứu hạn chế vết nứt do nhiệt hydrat nâng cao độ bền của công trình đường hầm, phát triển phần mềm HEAT 15 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông • A. M Neville và cộng sự (Anh), F. de LARRARD (pháp): nghiên cứu cấu trúc ảnh hưởng ban đầu đến độ bền của các cấu kiện bê tông ứng suất trước. • K. Meakawa và T. Kishi (Nhật) (1986 - nay) : Các mô hình nhiệt hydrat hóa, sự làm việc của vật liệu trong giai đoạn đầu (early age) • Val Brugel (Hà lan) (1990-nay): Nghiên cứu kiểm soát các vết nứt tong giai đoạn ban đầu • E.F gaboczi, D.P Bentz, G.J Fronnsdorff (NIST-Mỹ): Nghiên cứu các phương pháp số phân tích sự làm việc của vật liệu và kết cấu... ‰ Các mô hình nhiệt hydrat hoá của xi măng • Mô hình bậc hydrat hoá do: val K.B Brugel. (Hà lan), G.D Shutter (Bỉ) đề nghị, phát triển phần mềm DIANA (Hãng TNO Building Research Inc). • Các tiêu chuẩn: ACI (Mỹ), BS (Anh), CEB-FIP MODEL CODE (châu Âu) • Ưu điểm: Đơn giản, dễ áp dụng cho bài toán truyền nhiệt Hạn chế: Độ chính xác không cao, chỉ áp dụng với một số loại xi măng nhất định (phân theo ASTM, 5 loại) 16 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông • Mô hình đa cấu tử (Multi Component) do Kishi (Nhật) đề nghị Dựa trên sự toả nhiệt của từng thành phần khoáng trong xi măng và khối lượng thành phần của chúng. H C = ∑ pi H i trong đó: pi: tỉ lệ khối lượng của từng thành phần khoáng trong hỗn hợp Hi là lượng nhiệt sinh ra do từng thành phần khoáng ⎡ Ei (Qi ) ⎛ 1 1 ⎞⎤ ⎜⎜ − ⎟⎟⎥ H i = β i µζγs i H i , To (Qi ) exp ⎢− R ⎝ T To ⎠⎦ ⎣ Ưu điểm: Độ chính xác cao, tổng quát, Áp dụng cho nhiều loại xi măng khác nhau 17 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông ‰ Mô hình phát triển cấu trúc hồ xi măng và cấu trúc bê tông • Mô hình phát triển lỗ rỗng vi mô (pore structure development) và vận chuyển hơi ẩm do Meakawa, Chaube & Ishida đề nghị (1996-2000). • Thiết lập được hệ phương trình cân bằng cho quá trình truyền nhiệt, truyền khối và ứng xử cơ học (vật liệu đàn hồi). • Xây dựng các phương trình phần tử hữu hạn với trường hợp miền kết cấu 02 chiều. Quá trình giải được thực hiện riêng lẻ cho từng loại phân tích. • Ưu điểm: Đây là một trong các mô hình đầu tiên xét được các quá trình vật lý xảy ra trong bê tông. • Góp phần giải quyết các bài toán về nứt do nhiệt, các loại co ngót do quá trình bốc hơi nước. Gần đây, các tác giả đã kết hợp phân tích được bài toán co ngót tự sinh (Autogenneous Shrinkage) • Điểm hạn chế: các phương trình truyền khối được đơn giản hoá. Vật liệu làm việc đàn hồi. • Các quá trình vật lý được phân tích độc lập -> số lượng phép tính rất lớn 18 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông ‰ Mô hình kết hợp (Couple Model) Dariusz Gawin (Ba lan) đề nghị • Được xây dựng dựa trên lý thuyết thể tích trung bình (Averagering Volume Theory) và lý thuyết môi trờng rời rạc nhiều pha (Multiphase Porous Media Theory) • Thiết lập được hệ phương trình tổng quát cho vật liệu bê tông ứng với các quá trình vật lý cơ bản (nhiệt, hơi ẩm, thấm, cơ...), vật liệu ứng xử đàn hồi (gần đây tác giả đã phát triển cho vật liệu đàn nhớt) • Nguồn nhiệt dựa vào mô hình bậc hydrat hoá • Tác giả đã giải bài toán cho kết cấu 2D phằng PP PTHH, phương trình xấp xỉ PTHH thực sự kết hợp được đồng thời các quá trình vật lý với nhau (full couple Multiphysic process) • Ưu điểm: Đã xây dựng được hệ phương trình tổng quát mở, có khả năng phân tích cho nhiều trường hợp khác nhau như: kết cấu chịu nhiệt độ cao (cháy, dưỡng hộ nhiệt, độ ẩm lớn (bể chứa lớn)... • Quá trình tính toán nhanh, cho nhiều kết quả trong 01 lần tính • Điểm hạn chế: Chưa phát triển cho trường hợp kết cấu 03 chiều, nguồn nhiệt chưa tổng quát. 19 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp nhất mô hình hóa khả năng làm việc của cấu trúc bê tông ‰ Các nghiên cứu liên quan đã thực hiện tại Việt Nam • N.T Đích và cộng sự (IBST). Nghiên cứu thực nghiệm về xuất hiện vết nứt trên bê tông khối lớn, kết quả cong ít (do hạn chế về thí nghiệm). Nghiên cứu này chưa có các kết quả về nhiệt thuỷ hoá của các XM được sản xuất trong nước. • Tổng công ty Thuỷ điện Sông Đà: Dự định triển khai nghiên cứu về nhiệt Hydrat hoá cho các đập thuỷ điện, và kết cấu trong công trình thuỷ lợi. (Chưa thực hiện được) • Tổng công Cienco 4: Dự định triển khai nghiên cứu bê tông đầm lăn phát nhiệt thấp (low heat concrete) cho xây dựng đường giao thông. • B. Đ Vinh (ĐHBK Tp HCM) + Đã thực hiện các nghiên cứu so sánh về mô hình nhiệt Hydrat hoá cho XM + Đã giải được bài toán Nhiệt - Ứng suất cho kết cấu bê tông khối lớn bằng PP PTHH + Đang tiến hành thu thập các số liệu về thành phần, khoáng, hoá của các loại được sản xuất trong nước. + Chuẩn bị sẵn sàng cho các thí nghiệm nhiệt Hydrat của XM khi có thiết bị 20 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng