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 • Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY I Giới thiệu II Đặt vấn đề mục tiêu nghiên cứu III Mục tiêu nghiên cứu IV Nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu V Tổng quan VI Cơ sở lý thuyết đề tài VII Dự đoán kết đạt khả áp dụng VIII Kết luận chung Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông I GIỚI THIỆU Khả phục vụ tuổi thọ công trình ‰ Giải pháp kết cấu công trình ‰ Vật liệu bê tông • Khả làm việc (performance) • Độ bền vật liệu (durability) ‰ Các hướng quan tâm thực tế kỹ thuật công trình • Nâng cao khả làm việc vật liệu cách tạo loại bê tông (HPC, RCC, SCC, CPRC) • Nâng cao độ bền cách kiểm soát hạn chế tác nhân có hại (xâm thực, vết nứt, co ngót, từ biến…) • Tìm giải pháp kết cấu hợp lý Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Thân đập St Francis (Los Angles) bị hư hỏng vết nứt cấu trúc vật liệu bị phá hủy Đập bị phá hủy hoàn hoàn, công trình sau bị phá hủy Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Sự hư hỏng mặt đường tác dụng tải trọng co ngót vật liệu Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Mẫu vết nứt cấu kiện sàn, dầm Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Các kết cấu khối lớn chịu ảnh hưởng hiệu ứng nhiệt hydrat hóa giai đoạn đầu Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Thấm kết cấu công nước biển Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông II ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu độ bền bê tông khả làm việc công trình •Theo định hướng nghiên cứu cấu trúc vật liệu ‰ Cấu trúc vật liệu bê tông hình thành nào? + Phản ứng thủy hóa + Sự hình thành cấu trúc ‰ Vai trò trình hóa lý 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 tác nhân bên đến cấu trúc vật liệu ? + Nhiệt độ, ẩm (Đ.kiện môi trường, trình dưỡng hộ…) + Tải trọng tác dụng ‰ Kiểm soát hình thành vết nứt Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Ảnh hưởng 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 chịu lực Xâm thực Tăng nguy gây hại Tải trọng Tác nhân môi trường Nhiệt độ, độ ẩm Thấm Giảm Tuổi thọ Vết nứt nhiệt hydrat hóa Vết nứt co ngót Cấu trúc ban đầu vật liệu có ảnh hưởng định đến độ bền khả phục vụ công trình 10 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông VI CƠ SỞ LÝ THUYẾT Mô hình hợp cho toán phân tích Nhiệt – Hơi ẩm – Cơ (Unified model for couple Thermal – Hygro – Mechanical ) Mô hình cấu trúc dựa lý thuyết vật liệu rời rạc nhiều pha, phương trình lấy theo Dariusz Gawin Mô hình nguồn nhiệt lấy theo T Kishi, với trường hợp XM SX VN Mô hình ứng xử học vật liệu: Mở rộng cho vật liệu đàn nhớt (viscoelastic) dẻo nhớt (Visoplastic) Thiết lập phương trình xấp xỉ PTHH cho toán chiều, xây dựng công thức ma trận “độ cứng” cho phần tử kết hợp (Couple element) Giải phương trình PTHH (phương trình phi tuyến) 21 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông ‰ Phương trình hoá học trình xi măng Khoáng C3S: 2C3 S + H = C3 S H + 3CH Khoáng belit C2S: 2C2 S + H = C2 S H + CH Khoáng C3A C3 A + H = C3 AH Ettringite  P C3 A + CSH + 26 H = C3 A3CSH 32 Thachcao Phản ứng tạo Ettringgite: Ettringite   P C4 AF + CSH + 27 H = C3 ( AF )3CSH 32 + CH Thachcao C4 AF + 2CH + 16 H = C3 AH + C3 FH Khoáng C4AF Phản ứng thủy hóa sinh nhiệt, lượng nhiệt phát khoáng sau Cannon (1986) Thành phần khoáng Tỉ lệ hỗn hợp XM (%) Nhiệt lượng riêng (cal/g) Nhiệt lượng tham gia (cal/g) C 3S 55 120 66.0 C 2S 15 62 9.3 C 3A 10 207 20.7 C4AF 100 22 8.0 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông • Sự hình thành khoáng trình thuỷ hoá xi măng •Sự phát triển cấu trúc vi mô đá xi măng Phần không thủy hóa Sản phẩm bên Cấu trúc gel CHS gel Các lỗ rỗng 23 (Theo Chaube, Ishida) Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông ‰ Nguồn nhiệt (Mô hình đa cấu tử - theo T Kishi) H C = ∑ pi H i ⎡ Ei (Qi ) ⎛ 1 ⎞⎤ ⎜⎜ − ⎟⎟⎥ H i = β i µζγsi H i , To (Qi ) exp ⎢− R ⎝ T To ⎠⎦ ⎣ (6) • Trong đó: Ei – lượng hoạt hóa thành phần phản ứng thứ i R – Hằng số khí (Gas constant) HI,To– lượng nhiệt sinh nhiệt độ To,(293K) thành phần khoáng thứ i Ei/R– Nhiệt hoạt hóa (thermal activity) βi– h.số kể đến tiếp xúc t.phần không phản ứng với nước tự lỗ rỗng µ – h.số ảnh hưởng thành phần khoáng xi măng ξ – h.số kể đến độ giảm phản ứng puzzonlan thiếu Ca(OH)2 si – h.số độ mịn tương đối xi măng, xác định số Blaine γ – h.số xét đến kéo dài trình hydrat hóa có mặt thành phần phụ gia vô (xỉ, tro bay) hữu 24 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông ‰ Mô hình cấu trúc vi mô bê tông Dựa Lý thuyết môi trường rời rạc nhiều pha (Multiphase porous media) Các ion + Truyền nhiệt Thấm Pha lỏng Áp suất lỗ rỗng Pha khí Pha rắn Mô hình thể tích đại diện cho cấu trúc vi mô bê tông (Representative elementary volume model- REV) 25 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông ‰ Phương trình (governing equilibrium equations) • Phương trình bảo toàn pha khí (bao gồm khuyếch tán đối lưu) S g n ∂ρ a ∂S w ∂T (1) −n − β s (1 − n) S g + S g divvs + a + a divJ ga + ∂t ∂t ρ ∂t ρ (1 − n) S g ∂ρ s ∂Γ hydr mhydr a gs + a div(nS g ρ v ) + = s Sg s ρ ρ ρ ∂Γ hydr ∂ι • Phương trình bảo toàn pha lỏng (nước) v ∂ S ∂Τ ∂ ρ + ( ρ v S g + ρ w S w )divV s + S g n + n( ρ w − p v ) w − β swg ∂ι ∂ι ∂ι + divJ gv + div(nS g ρ vV gs ) + div(nS w ρ wV ws ) + (1 − n)( S g ρ v + ρ w S w ) ∂ρ s ∂ρ hydr ρ v S g + ρ w S w − ρ s mhydr + = s s ρ ρ ∂Γ hydr ∂ι 26 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng (2) •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông • Phương trình truyền nhiệt (3) ∂Τ + ρ wC Wp V ws + ρ g C pgV gs grad Τ − div(λef grad Τ) = ∂ι = −mvap ∆H vap + mhydr ∆H hydr • Phương trình bảo toàn động lượng ( ρ C p )ef ⎡ ∂σ ′′ ⎛ ∂ρ g ∂S w ∂ρ c ⎞ ⎤ ∂ρ c div ⎢ g =0 ρ − S w∂ι −Ι⎜ − ⎟⎥ + ⎜ ⎟ ∂ι ⎢⎣ ∂ι ⎝ ∂ι ⎠ ⎥⎦ ∂ι với (4) ρ = (1 − n) ρ s + nS ρ w + nS g ρ g w • Phương trình định luật thấm Darcy Pha lỏng Pha khí vws = k rw k vgs = k rg k µw µ g = ⎡⎣ grad p c − grad p g + ρ w g ⎤⎦ = ⎡⎣ grad p + ρ g ⎤⎦ g g 27 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng (5) •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông • Phương trình quan hệ ứng suất biến dạng vật liệu (đàn nhớt) dσ '' = CT (d ε − d ε T − d ε o ) ε = B.u (7) • Xấp xỉ phần tử hữu hạn p g (t ) = N p p g (t ) với p c (t ) = N p p c (t ) T (t ) = N t T (t ) u (t ) = N u u (t ) • Biến đổi phương trình vi phân dạng xấp xỉ PT PTHH ∂x C ( x) + K ( x) x = f ( x) ∂t Trong đó: ⎡ K gg ⎢K K ( x) = ∑ K e ( x); K e ( x) = ⎢ cg ⎢ K tg ⎢ ⎣ ⎡C gg ⎢C cg C ( x) = ∑ Ce ( x); C e ( x) = ⎢ ⎢ Ctg ⎢ ⎢⎣Cug K gc K cc K tc K uc C gc Ccc Ctc Cuc K gt K ct K tt C gt Cct Ctt Cut 0⎤ 0⎥⎥ 0⎥ ⎥ 0⎦ C gu ⎤ Ccu ⎥⎥ Ctu ⎥ ⎥ Cuu ⎥⎦ (8) f ( x) = ∑ x = {p g 28 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng ⎧ fg ⎫ ⎪f ⎪ ⎪ ⎪ f e ( x); f e ( x) =⎨ c ⎬ ⎪ ft ⎪ ⎪⎩ f u ⎪⎭ pc T u} •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông • Giải phương trình (8) miền thời gian: pt (8) viết theo dạng bước t.gian C ( xn+1 ) xn+1 − xn + K ( xn +1 ) xn +1 = f ( xn+1 ) ∆t (9) • Sơ đồ khối Nhập số liệu đầu vào Kết Hình học, mN, mX (t.p khoáng) • Phân bố nhiệt độ Các thông số vật liệu ( K, λ, C, E(t), ν(t), σ(τ), β • Chuyển vị nút Điều kiện biên • Áp suất lỗ rỗng (khí) • Áp suất mao quản Xử lý tính toán - Lập ma trận độ cứng vector tải loại phần tử - Lập ma trận độ cứng ptử kết hợp - Ghép vào ma trận độ cứng tổng thể - Giải hệ phương trình - Tính kết dẫn xuất Xử dụng kết 29 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông VII DỰ ĐOÁN CÁC KẾT QUẢ SẼ ĐẠT ĐƯỢC Đưa mô hình kết hợp có khả giải toán mô làm việc đồng thời vật liệu kết cấu điều kiện môi trường khác i) Phát triển chương trình máy tính triển khai áp dụng thực tế sản xuất ii) iii) Dựa kết mô hình, vấn đề kỹ thuật sau thực tế xây dựng giải quyết: ‰ Kiểm soát nhiệt hydrat hóa kết cấu khối lớn (thủy điện, thủy lợi, khối móng lớn, si lô, khối tiêu năng…) ‰ Kiểm soát vết nứt cho kết cấu có bề mặt lớn (nứt thoát nước, từ biến, co ngót) ‰ Hỗ trợ thiết kế sản xuất sản phẩm bê tông đúc sẵn, ứng suất trước ‰ Kiểm soát làm việc vật liệu BT công trình chịu nhiệt độ áp suất cao (tháp giải nhiệt lò phản ứng hạt nhân, bể nước nóng), công trình bị cháy ‰ Hỗ trợ đánh giá độ bền công trình 30 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng nhiệt độ, (oK) •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Thời gian (h) Độ ẩm tương đối Phân bố ứng suất nhiệt độ, t = 10h Thời gian (h) Phân bố ứng suất σXX,t = 10h 31 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Bậc hydat hoá Áp suất (Pa) •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông Thời gian (h) Phân bố nhiệt độ kết cấu mỏng Thời gian (h) 32 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Phân bố ứng suất •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông ‰ Các chương đề tài (dự kiến) Chương Giới thiệu • Giới thiệu chung vấn đề thực tế kỹ thuật dẫn đến hình thành đề tài • Đặt vấn đề cần nghiên cứu giới hạn phạm vi nghiên cứu Chương Tổng quan • Giới thiệu tình hình nghiên cứu có liên quan đến đề tài • Nhấn mạnh nghiên cứu cở làm bước đệm cho đề tài Chương Các mô hình Hydrat hóa cho Xi măng Portland Puzzoland • Nghiên cứu mở rộng mô hình đa cấu tử cho xi măng Puzzoland VN • Tiến hành thí nghiệm hiệu chỉnh mô hình • Mô hình phát triển cấu trúc vi mô đá xi măng Chương Lý thuyết mô hình kết hợp • Tóm tắt lý thuyết thể tích trung bình • Mô hình cấu trúc vĩ mô vi mô bê tông- vật liệu rời rạc nhiều pha • Các trình vật lý cấu trúc bê tông • So sánh với thực nghiệm (nhiệt hydrat hóa) 33 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông • Hệ phương trình mô hình Chương Phương pháp PTHH cho toán kết hợp chiều • Các ẩn số chính, xấp xỉ phần tử hữu hạn • Lập phương trình PTHH cho mô hình kết hợp • Xây dựng công thức phần tử • Xây dựng lời giải phương trình PTHH • So sánh lời giải với liệu thí nghiệm Chương Các ứng dụng mô hình kết hợp • Bài toán kiểm soát nhiệt hydrat hóa cho bê tông khối lớn • Bài toán kiểm soát co ngót trình bay nước (kết cấu phằng) • Bài toán tìm thời gian điều kiện dưỡng hộ thích hợp • Bài toán bê tông ứng suất trước (tường cừ – Prestress sheet pile wall) Chương Kết luận • Các kết luận • Hướng mở rộng cho đề tài 34 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng •Một phương pháp hợp mô hình hóa khả làm việc cấu trúc bê tông VIII KẾT LUẬN ‰ Đề tài xuất phát từ yêu cầu giải vấn đề tồn thực tế kỹ thuật ‰ Mục tiêu nghiên cứu đặt có tính khả thi không trùng lắp với nghiên cứu thực trước ‰ Có khả mở rộng phát triển theo hai hướng: Kết hợp thêm yếu tố tác động môi trường nghiên cứu ứng dụng kết đạt Hướng phát triển cho đề tài ‰ Các yếu tố ảnh hưởng môi trường trình xâm thực bê tông, ăn mòn cốt thép Khi xây dựng mô hình phân tích cho yếu tố độc lập, cách tương tự kết hợp với đề tài có để có mô đánh giá toàn diện Mô hình kết hợp: Nhiệt - Hoá – Hơi ẩm – Cơ đồng thời làm việc 35 Bùi Đức Vinh – Bm Vật liệu xây dựng – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng