Báo cáo seminar khoa học do ThS. Nguyễn Văn Công thuộc Khoa Kỹ thuật Công nghệ trình bày với đề tài: “Ứng dụng mô phỏng số trong dự báo vết nứt của dầm BTCT và dầm bê tông cốt GFRP”. Báo cáo tập trung ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn ẩn kết hợp mô hình dẻo – hư hỏng bê tông trên phần mềm Abaqus để giải mã tiến trình hư hỏng của dầm bê tông khi sử dụng cốt thanh polymer gia cường sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép truyền thống.Vừa qua, Trường Đại học Quang Trung đã tổ chức buổi báo cáo seminar khoa học do ThS. Nguyễn Văn Công (Khoa Kỹ thuật Công nghệ) trình bày với đề tài: “Ứng dụng mô phỏng số trong dự báo vết nứt của dầm BTCT và dầm bê tông cốt GFRP”. Báo cáo tập trung ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn ẩn kết hợp mô hình dẻo-hư hỏng bê tông (Concrete Damaged Plasticity – CDP) trên phần mềm Abaqus để giải mã tiến trình hư hỏng của dầm bê tông khi sử dụng cốt thanh polymer gia cường sợi thủy tinh (GFRP) thay thế cốt thép truyền thống.
Đặt vấn đề và giới hạn của quan trắc thực nghiệm
Trong kỹ thuật công trình, các thí nghiệm uốn thực nghiệm truyền thống chỉ cho phép quan sát vết nứt khi xuất hiện ra bề mặt bên ngoài, đồng thời ghi nhận giá trị tải trọng cực đại cùng độ võng.
Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế lớn là không thể quan sát quá trình khởi phát vết nứt từ bên trong lõi bê tông và không thể bóc tách độc lập vùng hư hỏng kéo và nén. Mô hình số phần tử hữu hạn 3D đóng vai trò như một bản sao số hóa (Digital Twin), giúp trực quan hóa trường biến dạng theo thời gian thực và phân tích bản chất cơ học bên trong trước khi bê tông bị phá hoại.
Sức mạnh và thách thức của cốt GFRP
Việc sử dụng cốt thanh GFRP mang lại ưu thế chống ăn mòn trong môi trường xâm thực biển, trọng lượng nhẹ và cường độ chịu kéo rất cao trên 900 MPa, gấp đôi cốt thép thông thường.
Tuy nhiên, thách thức lớn là mô đun đàn hồi của GFRP chỉ đạt khoảng 45 GPa (bằng 1 phần 4 so với thép) và làm việc đàn hồi tuyến tính hoàn toàn cho đến khi đứt giòn mà không có giai đoạn chảy dẻo. Sự chênh lệch này khiến dầm bê tông cốt GFRP có độ cứng uốn sau nứt suy giảm mạnh, dẫn đến độ võng và bề rộng vết nứt lớn hơn dầm bê tông cốt thép truyền thống. Do đó, các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế quy định thiết kế dầm cốt GFRP ở trạng thái vượt mức cân bằng để chủ động hướng kịch bản phá hoại về phía bê tông vùng nén bị ép vỡ từ từ.
Phương pháp nghiên cứu và kiến trúc mô hình số
Chương trình thực nghiệm đã chế tạo và thử nghiệm 12 mẫu dầm bê tông cấp độ bền B25 với cường độ chịu nén thực tế đạt 25.52 MPa. Cốt thanh GFRP sử dụng có đường kính 10 mm và 16 mm, bề mặt gờ xoắn, mô đun đàn hồi 45 GPa, cường độ chịu kéo trên 900 MPa và biến dạng kéo đứt 1.8 percent. Nhóm dầm đối chứng sử dụng cốt thép truyền thống.
Toàn bộ 12 mẫu dầm có tiết diện 150 nhân 150 mm, chiều dài 1200 mm, nhịp uốn 1000 mm, được chia thành 4 nhóm cụ thể:
- Nhóm N0: Dầm cốt thép đối chứng.
- Nhóm N1: Dầm cốt GFRP với hàm lượng cốt thấp.
- Nhóm N2: Dầm cốt GFRP với hàm lượng cốt trung bình.
- Nhóm N3: Dầm cốt GFRP với hàm lượng cốt cao.
Thí nghiệm uốn 4 điểm thực hiện trên máy nén 1000 kN với tốc độ khống chế chuyển vị không đổi 0.25 mm mỗi phút. Mô hình số trên phần mềm Abaqus sử dụng phần tử khối 3D cho bê tông và phần tử giàn chịu lực dọc trục cho cốt thép hoặc GFRP, kết hợp ràng buộc nhúng. Các thông số dẻo – hư hỏng bê tông được hiệu chuẩn chi tiết gồm góc nở 35 độ, độ lệch tâm 0.1 và hệ số nhớt 0.0005.
Kết quả và thảo luận
Kiểm chứng mô hình: Sai lệch tuyệt đối về tải trọng cực đại giữa mô hình tính toán và thực nghiệm chỉ dao động từ 0 percent đến 7 percent, tái hiện hoàn hảo thứ tự sức chịu tải của các nhóm mẫu.
Tiến hóa hư hỏng kéo: Ở dầm thép đối chứng, hư hỏng tập trung cục bộ vào một vài vết nứt uốn chính thẳng đứng do thép chảy dẻo. Ngược lại, ở các dầm cốt GFRP, trường hư hỏng kéo phân tán trên dải rộng, xuất hiện các nhánh hư hỏng nghiêng hướng về hai điểm chất tải và các dải nứt dọc theo lớp cốt chủ do mô đun đàn hồi thấp.
Tiến hóa hư hỏng nén: Hư hỏng nén xuất hiện muộn hơn và tăng tốc khi dầm tiến gần đến tải trọng cực hạn. Ở dầm cốt GFRP, hư hỏng nén chuyển biến nhanh từ lớp mỏng bề mặt sang tổn thương dạng khối, mở rộng theo phương ngang giữa hai điểm chất tải và phát triển sâu xuống phía dưới tiết diện.
Chuỗi tiến hóa hư hỏng: Quá trình phá hoại trải qua 4 bước gồm khởi phát nứt uốn vùng kéo ở đáy, mở rộng trường hư hỏng kéo và hình thành nhánh nứt nghiêng, chuyển giao nén tập trung ở thớ trên, và cuối cùng là phá hoại tạo thành khối hình chêm hoặc chữ V dưới điểm chất tải. Ép vỡ vùng nén là kết quả tất yếu của chuỗi tiến hóa kéo – nén liên tục. Dầm cốt GFRP vẫn duy trì một nhánh sức kháng dư ổn định nhờ các thanh cốt làm việc trong miền đàn hồi.
Kết luận và khuyến nghị
- Mô hình phần tử hữu hạn đạt độ tin cậy cao với sai lệch tải trọng cực đại nhỏ hơn 7 percent.
- Dầm cốt GFRP phát triển mạng vết nứt phân tán rộng với các nhánh nghiêng và dải nứt dọc do đặc tính đàn hồi 45 GPa.
- Hàm lượng cốt sợi quyết định độ cứng sau nứt; khuyến cáo sử dụng mô phỏng số để tối ưu hóa thiết kế dầm cốt GFRP nhằm chủ động kiểm soát vết nứt trước khi thi công thực tế.