Mô phỏng vết nứt dầm bê tông bằng phương pháp mô hình lò xo thân cứng (RBSM)

Từ khóa:

Mô hình lò xo nút cứng (RBSM)
mô phỏng vết nứt
phần tử rời rạc

https://doi.org/10.59382/j-ibst.2025.vi.vol4-1

Tóm tắt:

Bài báo trình bày phương pháp mô phỏng sự hình thành vết nứt trong dầm bê tông thông qua mô hình lò xo thân cứng (RBSM) hai chiều, được xây dựng và phân tích trên nền tảng phần mềm SAP2000. Mô hình sử dụng để khảo sát là dầm bê tông có tiết diện 5×10 cm, dài 50 cm, chịu tải phân bố đều. Dầm được chia thành các phần tử đơn vị có kích thước 2 cm, mô phỏng bằng các nút không biến dạng liên kết với nhau thông qua các lò xo có độ cứng được xác định thông qua mô đun đàn hồi của bê tông. Phân tích trong SAP2000 với giá trị tải phân bố 1 kN/m đến 6 kN/m cho thấy lực dọc phát sinh trong các lò xo tăng tuyến tính theo tải trọng. Phần tử lò xo nguy hiểm nhất nằm ở giữa và phía dưới dầm - nơi có lực kéo lớn nhất. Bằng cách so sánh lực kéo lớn nhất trong lò xo với giá trị khả năng chịu kéo của phần tử bê tông, kết quả xác định được tải trọng gây nứt dầm là 4,61 kN/m. Ngoài ra việc tính toán mô men gây nứt tính toán theo tiêu chuẩn TCVN 5574:2018 cũng được thực hiện, cho thấy sự tương đồng về kết quả, qua đó xác nhận độ tin cậy và tính khả thi của phương pháp mô hình hóa RBSM trong việc dự đoán vị trí và tải trọng gây nứt. Mô hình RBSM thể hiện tiềm năng ứng dụng trong phân tích cơ học phá hoại của kết cấu bê tông, đặc biệt phù hợp trong bối cảnh cần mô phỏng chi tiết sự hình thành và phát triển của vết nứt ở cấp độ cấu kiện.

Nội dung:

Tài liệu tham khảo:

[1]   Binbin Gong, Hao Li (2024). A couple Voronoi-RBSM modeling strategy for RC structures. Structural Engineering and Mechanics, Volume 91.

[2]   Dawei Ren, Dheeraj Waghmare, Punyawut Jiradilok, Kohei Nagai (2024). RBSM investigation of the effects of cracking and ITZ on moisture transport in reinforced concrete by integrating mechanical and conduit models. Construction and Building Materials, Volume 441.

[3]   Kumar Avadh, Kohei Nagai (2022). 3D RBSM Analysis of Bond Degradation in Corroded Reinforced Concrete as Observed Using Digital Image Correlation. Materials (MDPI), Volume 15.

[4]   Yuliia Khmurovska, Petr Štemberk (2021). RBSM-based model for prediction of radiation-induced volumetric expansion of concrete aggregates. Construction and Building Materials, Volume 294.

[5]   Vito Tateo, Siro Casolo (2021). Explicit Dynamic Analysis by a Rigid Body-Spring Model of Impact Loads of Artillery on Middle Age Fortifications. Buildings (MDPI), Volume 11.

[6]   Zhao Wang, Dawei Zhang, Fuyuan Gong, Saeid Mehrpay, Tamon Ueda (2019). Mesoscale simulation of bond behaviors between concrete and reinforcement under the effect of frost damage with axisymmetric Rigid Body Spring Model. Construction and Building Materials, Volume 215.

[7]   Fuyuan Gong, Tamon Ueda, Dawei Zhang (2018). Two-dimensional rigid body spring method based micro-mesoscale study of mechanical strengthening/damaging effects to concrete by frost action. Structural Concrete, Volume 19.

[8]   Xianglin Gu, Li Hong, Zhuolin Wang, Feng Lin (2013). A modified rigid-body-spring concrete model for prediction of initial defects and aggregates distribution effect on behavior of concrete. Computational Materials Science, Volume 77.

[9]   Jan Elias (2008). Simulation of Fracture Process Using Spring Networks. Engineering Mechanics.

[10] Yip, M., Mohle, J., & Bolander, J. E. (2005). Automated modeling of three-dimensional structural components using irregular lattices. Computers & Structures, 83(24–25), 2354–2366.

[11] K. Nagai, Y. Sato & T. Ueda (2002). Numerical simulation of fracture process of plain concrete by Rigid Body Spring Method. Proceedings of fib Congress.

[12] J.E.Bolander, M.Yip, K.Moriizumi, M.Kunieda (2001). Rigid-Body-Spring Network modeling of cement-based composites. Fracture Mechanics of Concrete Structures.

[13] Bolander, J. E., & Saito, S. (1998). Fracture analyses using spring network models: formulation and applications. Engineering Fracture Mechanics, 61(5-6), 569–591.

[14] Cundall, P. A., & Strack, O. D. L. (1979). A discrete numerical model for granular assemblies. Géotechnique, 29(1), 47–65.

[15] Kawai, T. (1978). New discrete models and their application to seismic response analysis of structures. Nuclear Engineering and Design, Volume 48.

[16] Hồ Thị Kim Thoa, Võ Văn Đấu (2023). Tổng quan về phương pháp phần tử rời rạc (DEM) ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu địa kỹ thuật. Tạp chí khoa học trường Đại học Cần Thơ, tập 59.

[17] Phạm Nguyễn Hoàng, Ngô Văn Thuyết, Hồng Tiến Thắng (2022). Hướng dẫn sử dụng phần mềm Sap2000 trong tính toán kết cấu công trình. Nhà Xuất bản Xây dựng.

[18] Võ Thành Trung (2021). Áp dụng phương pháp phần tử rời rạc nâng cao để mô phỏng các dạng vật liệu không bão hoà. Tạp chí khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng, tập 19.

[19] Lê Bá Danh, Trần Tiến Đạt (2018). Mô phỏng 3D sự xuất hiện và phát triển của vết nứt trong dầm bê tông bằng phương pháp phần tử rời rạc. Hội nghị khoa học quốc tế kỷ niệm 55 năm ngày thành lập Viện KHCN Xây dựng.

[20] TCVN 5574:2018. Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép, Tiêu chuẩn Việt Nam.