Trong điều kiện hỏa hoạn, bê tông chịu tác động đồng thời của nhiệt độ cao, tải trọng và sự kiềm chế biến dạng từ các bộ phận kết cấu lân cận. Sự kết hợp này làm phát sinh ứng suất nhiệt, thúc đẩy quá trình nứt và suy giảm các đặc trưng cơ học của vật liệu. Đối với vỏ hầm giao thông, trường nhiệt không đồng đều theo chiều dày kết cấu, cùng với trạng thái chịu lực ban đầu, có thể làm gia tăng mức độ hư hỏng và ảnh hưởng đến khả năng duy trì chức năng chịu lực trong quá trình cháy. Vì vậy, xây dựng mô hình cơ - nhiệt có khả năng mô tả sự tương tác giữa truyền nhiệt, biến dạng và hư hỏng của bê tông là cơ sở cần thiết cho việc phân tích ứng xử và đánh giá an toàn kết cấu chịu hỏa hoạn.
Nghiên cứu xác lập cơ sở cho việc phân tích đồng thời tính không đồng nhất, quá trình nứt và sự biến đổi đặc trưng cơ - nhiệt của bê tông.
Bản chất phức tạp của ứng xử cơ - nhiệt bắt nguồn từ cấu trúc đa pha và không đồng nhất của bê tông. Ở cấp độ trung bình, vật liệu có thể được mô tả thông qua cốt liệu, nền đá xi măng và vùng chuyển tiếp giữa hai pha (ITZ). Sự khác biệt về độ cứng và đặc trưng giãn nở nhiệt của các thành phần tạo ra tính không tương thích biến dạng, dẫn đến tập trung ứng suất và hình thành vi nứt. Đồng thời, sự mất nước và các biến đổi hóa-lý trong nền đá xi măng làm thay đổi cấu trúc vật liệu và suy giảm liên kết giữa các pha [7, 8].
Trên cơ sở tiếp cận đa cấp độ, Menou và cộng sự [1] đã kết hợp mô hình bê tông số đa pha Digital Concrete với mô hình hư hỏng MODEV trên nền tảng phần tử hữu hạn SYMPHONIE. Trong cách tiếp cận này, hư hỏng do biến dạng nhiệt bị kiềm chế ở cấp độ vi mô và vĩ mô được phân biệt với thành phần hư hỏng do các biến đổi vật lý và hóa học của vật liệu.
Việc đối chiếu mô phỏng với thí nghiệm trên các vật liệu gốc xi măng đã làm rõ vai trò của chênh lệch giãn nở nhiệt giữa các pha đối với sự suy giảm tính chất cơ học. Nghiên cứu cung cấp cơ sở quan trọng để giải thích hư hỏng nhiệt gây biến đổi cấu trúc vật liệu, đồng thời cho thấy cần kết hợp mô tả cấu trúc đa pha với các quan hệ hư hỏng phù hợp trong phân tích cơ - nhiệt.
Theo hướng mô hình hóa ở cấp độ trung bình, Grassl và Pearce [2] đã mô tả biến dạng nhiệt quá độ của bê tông chịu nén và gia nhiệt thông qua sự không tương thích giãn nở nhiệt giữa cốt liệu, pha nền và vùng chuyển tiếp. Tiếp đó, Nguyen và cộng sự [3] nghiên cứu trực tiếp sự thay đổi hệ số dẫn nhiệt do tác động cơ - nhiệt bằng mô hình lưới, trong đó hệ số dẫn nhiệt của phần tử bị nứt được liên hệ với biến hư hỏng thông qua độ mở vết nứt.
Pham và cộng sự [4] tiếp tục sử dụng mô hình lưới cơ - nhiệt ở cấp độ trung bình để mô tả biến dạng nhiệt quá độ và dự báo sự suy giảm các đặc trưng vật liệu ở nhiệt độ đến 800°C. Các nghiên cứu này xác lập cơ sở cho việc phân tích đồng thời tính không đồng nhất, quá trình nứt và sự biến đổi đặc trưng cơ - nhiệt của bê tông.
Kế thừa các cơ sở nêu trên, bài báo trình bày mô hình lưới cơ - nhiệt phi tuyến sử dụng cặp lưới đối ngẫu Voronoi - Delaunay và phát triển trong phần mềm mã nguồn mở OOFEM [5]. Các phần tử truyền nhiệt được bố trí dọc theo cạnh Voronoi, trong khi các phần tử cơ học được thiết lập trên cạnh Delaunay.
Sự suy giảm độ cứng và quá trình phát triển nứt được mô tả bằng quan hệ hư hỏng dựa trên biến dạng, kế thừa mô hình Mazars, kết hợp quy luật mềm hóa theo năng lượng phá hủy.
Bài toán nhiệt xét sự phụ thuộc của hệ số dẫn nhiệt và nhiệt dung riêng vào nhiệt độ; ảnh hưởng của hư hỏng được đưa vào hệ số dẫn nhiệt tương đương thông qua độ mở vết nứt, hệ số dẫn nhiệt của không khí trong khe nứt và có xem xét ảnh hưởng của hư hỏng nhiệt-hóa. Cách thiết lập này cho phép cập nhật tương hỗ trạng thái cơ học và trường nhiệt trong quá trình tính toán.
Mô hình xây dựng được áp dụng vào nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông được mô tả bằng vật liệu không đồng nhất. Kết quả mô phỏng số được so sánh với nghiên cứu thực nghiệm của Menou và cộng sự [1] và dự báo ứng xử của dầm chịu uốn ở nhiệt độ 600°C, 800°C và 1.000°C.
Xem chi tiết Bài nghiên cứu TẠI ĐÂY:
Build.Data
